BR112013025217B1

BR112013025217B1 - Haste compósita e método para a formação de uma haste compósita

Info

Publication number: BR112013025217B1
Application number: BR112013025217-0A
Authority: BR
Inventors: Sherri M. Nelson; David W. Eastep; Timothy L. Tibor; Timothy A. Regan; Michael L. Wesley
Original assignee: Ticona Llc
Priority date: 2011-04-12
Filing date: 2012-04-11
Publication date: 2020-12-15
Also published as: EP2697043A1; CN103501986A; TWI549140B; BR112013025217A2; KR20140015462A; BR112013025217B8; TW201306054A; CA2831358C; WO2012142107A1; US20140106166A1; CN103501986B; CA2831358A1; US10676845B2; JP2014516822A

Abstract

hastes termoplásticas reforçadas com fibra contínuas e método de pultrusão para sua fabricação a presente invenção refere-se a uma haste compósita para o uso em várias aplicações tais como cabos elétricos (por exemplo, cabos de transmissão de alta tensão), umbilicais de energia, amarras, cordas e uma ampla variedade de outros membros estruturais. a haste inclui um núcleo que é formado de uma pluralidade de mechas ligeiramente torcidas de fibra alinhadas unidirecionalmente embutidas dentro de uma matriz de polímero termoplástico. os presentes inventores descobriram que o grau no qual as mechas ligereiramente torcidas são impregnadas com a matriz de polímero termoplástico pode ser significativamente melhorado através do controle sobre o processo de impregnação e também através do controle sobre o grau de compressão conferido às mechas ligeiramente torcidas durante a formação e moldagem de uma haste, assim como a calibração da geometria da haste final. tal haste bem impregnada tem uma fração nula muito pequena, que leva a excelentes propriedades de resistência. notavelmente, as desejadas propriedades de resistência podem ser alcançadas sem a necessidade de diferentes tipos fibra em uma haste.

Description

O presente pedido refere-se ao Pedido de Patente Provisório U.S. N° de série 61/474.481, depositado em 12 de abril de 2011, entitulado: "HASTES TERMOPLÁSTICAS REFORÇADAS COM FIBRA CONTÍNUAS", o qual é aqui incorporado por referência.

Antecedentes da Invenção

Hastes compósitas reforçadas com fibra têm sido aplicadas em uma ampla variedade de pedidos como reforços estruturais leves. Por exemplo, umbilicais de energia geralmente são utilizados na transmissão de fuidos e/ou sinais elétricos entre a superfície do mar e o equipamento localizado sobre o fundo do mar. Tais umbilicais geralmente incluem um ou mais tubos e condutores/fios elétricos coletados em um feixe, um material de enchimento dispostos pelo menos parcialmente em torno e entre os tubos e condutores/fios e uma capa protetora que cobre os tubos, os condutores/fios e um material de enchimento. Para auxiliar na resistência de tais umbilicais, tentativas têm sido feitas para utilizar hastes de fibra de carbono pultrudadas como elementos de transporte de cargas separadas. Um problema significativo com tais hastes, todavia, é que elas dependem de resinas termorrígidas (por exemplo, vinil ésteres) para ajudar a alcançar as propriedades de resistência desejadas. As resinas termorrígidas são difíceis de serem usadas durante a fabricação e não possuem boas características de ligação em camadas de formação com outros materiais. Têm sido feitas tentativas para formar hastes a partir de polímeros termoplásticos em outros tipos de pedidos. A publicação de Patente U.S. N° 2005/0186410 para Bryant e outros, por exemplo, descreve tentativas que foram feitas para embutir fibras de carbono dentro de uma resina termoplástica para formar um núcleo compósito de um cabo de transmissão elétrica. Infelizmente, Bryant e outros notam que estes núcleos exibidos falham e secam os locais devido à umidade inadequada das fibras, que resultaram em pouca durabilidade e resistência. Outro problema com tais núcleos é que as resinas termoplásticas não podem operar em uma temperatura elevada.

Como tal, existe uma necessidade atual de uma haste reforçada com fibra que seja formada a partir de um material termoplástico e que seja ainda capaz de alcançar a resistência desejada, durabilidade e desempenho de temperatura demandado através de uma aplicação específica. Sumário da Invenção

De acordo com uma modalidade da presente invenção, uma haste compósita é descrita de modo que se estende em uma direção longitudinal. A haste apresenta um núcleo que contém uma pluralidade de mechas ligeiramente torcidas termoplásticas impregnadas que compreendem fibras contínuas orientadas na direção longitudinal e uma matriz termoplástica que embute a fibra. As fibras apresentam uma razão de resistência à tração máxima para massa por comprimentodeunidade maior doquecercade 1.000

Megapascaisporgrama por metro.Asfibrascontínuasconstituem a partir de cerca de 25% em peso a cerca de 80% em peso do núcleo e a matriz termoplástica constituem a partir de cerca de 20% em peso a cerca de 75% em peso do núcleo. Os itinerantes são distribuídos, em geral, de forma simétrica em torno de um centro longitudinal do núcleo.

De acordo com outra modalidade da presente invenção, um método para formação e uma haste compósita é descrito. O método compreende a impregnação de uma pluralidade de itinerantes com uma matriz termoplástica e consolidação dos itinerantes para formar uma fita, em que os itinerantes são formados a partir de fibras contínuas orientadas substancialmente na direção longitudinal e apresentando uma razão de resistência à tração máxima de massa por comprimentodeunidade maior doquecercade 1.000

Megapascaisporgrama por metro.Asfibras contínuasconstituem a partir de cerca de 25% em peso a cerca de 80% em peso da tira e a matriz termoplástica constitui partir de cerca de 20% em peso acerca de 75% em peso da fita. A tira apresenta uma fração nula de cerca de 3% ou menos.A tira é aquecida a uma temperatura de ou acima da temperatura de amolecimento da matriz termoplástica e puxada através de pelo menos molde de formação para comprimir e dar forma à tira dentro de uma pré-forma. A pré-forma é resfriada para formar a haste.

Outras características e aspectos da presente invenção estão estabelecidos a diante em maiores detalhes abaixo.

Breve Descrição dos Desenhos

Uma descrição completa e possível da presente invenção, que inclui o melhor modo da mesma para um técnico no assunto, é estabelecida adiante mais especificamente no restante do relatório descritivo, que inclui referência às figuras acompanhantes, nas quais:

A figura 1 é uma vista em perspectiva de uma modalidade de uma tira consolidada para uso na presente invenção;

A figura 2 é uma vista transversal de outra modalidade de uma tira consolidada para uso na presente invenção;

A figura 3 é uma ilustração esquemática de uma modalidade de um sistema de impregnação para uso na presente invenção;

A figura 4 é uma vista transversal do molde de impregnação mostrado na figura 3;

A figura 5 é uma vista explodida de uma modalidade de um conjunto de distribuidor e portão de passagem para um molde de impregnação que pode ser empregado na presente invenção;

A figura 6 é uma vista em perspectiva de uma modalidade de uma placa que define pelo menos uma zona de impregnação que pode ser empregada na presente invenção;

A figura 7 é uma ilustração esquemática de uma modalidade de um sistema de pultrusão que pode ser empregado na presente invenção;

A figura 8 é uma vista em perspectiva de uma modalidade de uma haste termoplástica reforçada com fibra contínua da presente invenção;

A figura 9 e uma vista transversal superior de uma modalidade de vários dados de calibração que podem ser empregados de acordo com a presente invenção;

A figura 10 é uma vista transversal lateral de uma modalidade de um molde de calibração que pode ser empregado de acordo com a presente invenção;

A figura 11 é uma vista frontal de uma parte de uma modalidade de um molde de calibração que pode ser empregado de acordo com a presente invenção; e

A figura 12 é uma vista frontal de uma modalidade de cilindros de formação que podem ser empregados de acordo com a presente invenção.

Ao repetir o uso de caracteres de referência no presente relatório descritivo e desenhos pretende-se representar as mesmas ou análogas características ou elementos da presente invenção.

Descrição Detalhada de Modalidades Representativas

Um versado na técnica deve entender que a presente discussão é apenas uma descrição de modalidades exemplares, e não é pretendida a limitar os amplos aspectos da presente invenção.

Genericamente falando, a presente invenção é direcionada a uma haste compósita para uso em várias aplicações, tais como cabos elétricos (por exemplo, cabos de transmissão de alta tensão), umbilicais de energia, amarras, cordas e uma ampla variedade de outros membros estruturais. A haste inclui um núcleo que é formado a partir de uma pluralidade de mechas ligeiramente torcidas de fibra alinhadas unidirecionalmente dentro de uma matriz de polímero termoplástica. Os presentes inventores descobriram que o grau no qual as mechas ligeiramente torcidas são impregnadas com a matriz de polímero termoplástica pode ser significativamente melhorado através de controle seletivo sobre o processo de impregnação e também através de controle sobre o grau de compressão transmitido às mechas ligeiramente torcidas durante a formação e conformação da haste bem como a calibração da geometria da haste final. Tal haste bem impregnada apresenta uma fração muito pequena de vazio que conduz a excelentes propriedades de resistência. Notavelmente, as propriedades de resistência desejadas podem 6/53 ser alcançadas sem a necessidade de diferentes tipos de fibras na haste.

Conforme utilizado aqui, o termo "mecha ligeiramente torcida" geralmente se refere a um feixe ou um cabo de fibras individuais. As fibras contidas dentro da mecha ligeiramente torcida podem ser giradas ou podem ser retas. Embora diferentes fibras possam ser utilizadas em mechas ligeiramente torcidas individuais ou diferentes, geralmente deseja-se que cada uma das mechas ligeiramente torcidas contenha um único tipo de fibra para minimizar qualquer impacto adverso do material de utilização com um diferente coeficiente térmico de expansão. As fibras contínuas empregadas no processo de mechas ligeiramente torcidas possuem um alto grau de resistência à tração relativa à sua massa. Por exemplo, a resistência à tração máxima das fibras é tipicamente a partir de cerca de 1.000 a cerca de 15.000 Megapascais ("MPa"), em algumas modalidades a partir de cerca de 2.000 MPa a cerca de 10.000 MPa e em algumas modalidades, a partir de cerca de 3.000 MPa a cerca de 6.000 MPa. Tais resistências à tração podem ser alcançadas ainda que as fibras sejam de um peso relativamente leve, tal como uma massa por comprimento de unidade a partir de cerca de 0,1 a cerca de 2 gramas por metro, em algumas modalidades a partir de cerca de 0,4 a cerca de 1,5 gramas por metro. A razão de resistência à tração para massa por comprimento de unidade pode, portanto, ser cerca de 1.000 Megapascais por grama por metro ("MPa/g/m") ou maior, em algumas modalidades cerca de 4,000 MPa/g/m ou maior e em algumas modalidades, a partir de cerca de 5.500 a cerca de 20.000 MPa/g/m. Tais fibras de alta resistência podem, por exemplo, ser fibras de metal, fibras de vidro (por exemplo, vidro E, vidro A, vidro C, vidro D, vidro AR, vidro R, vidro S1, vidro S2, etc.), fibras de carbono (por exemplo, carbono amorfo, carbono grafítico ou carbono revestido de metal, etc.), fibras de boro, fibras de cerâmica (por exemplo, alumina ou sílica), fibras de aramida (por exemplo, Kevlar® comercializada por E. I. duPont de Nemours, Wilmington, Del.), fibras orgânicas sintéticas (por exemplo, poliamida, polietileno, parafenileno, tereftalamida, tereftalato de polietileno e sulfureto polifenileno) e vários outros materiais fibrosos inorgânicos ou orgânicos, naturais ou sintéticos conhecidos por reforçarem composições termoplásticas. As fibras de carbono são particularmente adequadas para uso como as fibras contínuas, que tipicamente apresentam uma resistência à tração para razão de massa na faixa a partir de cerca de 5.000 a cerca de 7.000 MPa/g/m. As fibras contínuas normalmente apresentam um diâmetro nominal de cerca de 4 a cerca de 35 micrometros e em algumas modalidades, a partir de cerca de 5 a cerca de 35 micrometros. O número de fibras contido em cada mecha, ligeiramente torcida, pode ser constante ou variar de mecha ligeiramente torcida para mecha ligeiramente torcida. Tipicamente, uma mecha ligeiramente torcida contém a partir de cerca de 1.000 fibras a cerca de 100.000 fibras individuais e em algumas modalidades, a partir de cerca de 5.000 a cerca de 50.000 fibras.

Qualquer um de uma variedade de polímeros termoplásticos pode ser empregado para formar a matriz termoplástica na qual as fibras contínuas são embutidas. Os polímeros termoplásticos adequados para uso na presente invenção podem incluir, por exemplo, poliolefinas (por exemplo, polipropileno, copolímero de propileno-etileno, etc.), poliésteres (por exemplo, tereftalato de polibutileno ("PBT")), policarbonatos, poliamidas (por exemplo, Nylon®), poliéter cetonas (por exemplo, poliéster éter de cetona ("PEEK")), polieterimidas, poliarileno cetonas (por exemplo, dicetona de polifenileno ("PPDK")), polímeros de cristal líquido, sulfetos de poliarileno (por exemplo, sulfeto de polifenileno ("PPS"), poli (sulfeto de fenileno dicetona), poli (sulfeto de bifenileno), etc.), fluorpolímeros (por exemplo, polímero de politetrafluoretileno- perfluormetilviniléter, polímero de perflúor-alcoxialcano, polímero de petrafluoretileno, polímero de etileno- tetrafluoretileno, etc.), poliacetais, poliuretanos, policarbonatos, polímeros estirênicos (por exemplo, acrilonitrila butadieno estireno ("ABS")) e assim por diante.

As propriedades da matriz termoplástica são geralmente selecionadas para alcançarem a combinação desejada de processabilidade e desempenho da haste durante o uso. Por exemplo, a viscosidade de fusão da matriz termoplástica geralmente é baixa o suficiente de modo que o polímero possa impregnar adequadamente as fibras e se tornar moldado dentro da configuração de haste. A este respeito, a viscosidade de fusão tipicamente está na faixa a partir de cerca de 25 a cerca de 2.000 Pascais-segundo ("Pa-s"), em algumas modalidades a partir de 50 a cerca de 500 Pa-s e em algumas modalidades, a partir de cerca de 60 a cerca de 200 Pa-s, determinada nas condições de operação utilizadas para o polímero termoplástico (por exemplo, cerca de 360°C). Da mesma forma, quando a haste é pretendida para uso em temperaturas elevadas, um polímero termoplástico é empregado de modo que apresente uma temperatura de fusão relativamente alta. Por exemplo, a temperatura de fusão de tais polímeros de temperatura elevada pode estar na faixa a partir de cerca de 200°C a cerca de 500°C, em algumas modalidades a partir de cerca de 225°C a cerca de 400°C e em algumas modalidades, a partir de cerca de 250°C a cerca de 350°C.

Os sulfetos de poliarileno são particularmente adequados para o uso na presente invenção como uma matriz de temperatura elevada com a viscosidade de fusão desejada. Os sulfetos de polifenileno, por exemplo, é uma resina semicristalina que geralmente inclui unidades monoméricas de repetição representadas pela seguinte fórmula geral:

Estas unidades monoméricas tipicamente constituem pelo menos 80% em mol e em algumas modalidades, pelo menos 90% em mol, das unidades recorrentes, no polímero. Deve ser entendido, todavia, que o sulfeto de polifenileno pode conter unidades recorrentes adicionais, tal como descrito na Patente U.S. N° 5.075.381 para Gotoh, e outros, a qual é aqui incorporada em sua totalidade através de referência à mesma para todos os propósitos. Quando empregadas, tais unidades recorrentes adicionais tipicamente constituem não mais do que cerca de 20% em mol do polímero. Os sulfetos de polifenileno de alta viscosidade de fusão comercialmente disponíveis podem incluir aqueles disponíveis a partir de Ticona LLC (Florence, Kentucky) sob a designação de marcaFORTRON®. Tais polímeros podem apresentar uma temperatura de fusão de cerca de 285°C (determinada de acordo com o ISO 11357-1,2,3) e uma viscosidade de fusão de a partir de cerca de 260 a cerca de 320 Pascal-segundos a 310°C.

De acordo com a presente invenção, um dispositivo de extrusão geralmente é empregado para impregnar as mechas ligeiramente torcidas com a matriz termoplástica. Dentre outras coisas, o dispositivo de extrusão facilita a capacidade do polímero termoplástico de ser aplicado à superfície total das fibras. As mechas ligeiramente torcidas impregnadas também apresentam uma fração nula muito baixa, que ajuda a intensificar sua resistência. Por exemplo, a fração nula pode ser cerca de 6% ou menos, em algumas modalidades cerca de 4% ou menos, em algumas modalidades cerca de 3% ou menos, em algumas modalidades cerca de 2% ou menos, em algumas modalidades cerca de 1% ou menos e em algumas modalidades, cerca de 0,5% ou menos. A fração nula pode ser medida utilizando técnicas bem conhecidas àqueles técnicos no assunto.Por exemplo, a fração nula pode ser medida utilizando um teste de "queima de resina" no qual as amostras são colocadas em um forno (por exemplo, a 600°C por 3 horas) para queimar a resina. A massa das fibras restantes pode então ser medida para calcular as frações de peso e volume. Tal testagem de "queima" pode ser realizada de acordo com ASTM D 2584-08 para determinar os pesos das fibras e a matriz termoplástica, que pode então ser utilizada para calcular a "fração nula" com base nas seguintes equações: Vf = 100 * (pt - pc)/pt onde, Vf é a fração nula como uma porcentagem; pc é a densidade do compósito medido utilizando técnicas conhecidas, tal como com um picnômetro de líquido ou de gás (por exemplo, picnômetro de hélio); pt é a densidade teórica do compósito, visto que ele é determinado pela seguinte equação: pt = 1/ [Wf/pf + Wm /pm] pm é a densidade da matriz termoplástica (por exemplo, na cristalinidade apropriada); pf é a densidade das fibras; Wf é a fração de peso das fibras; eWm é a fração de peso da matriz termoplástica.

Alternativamente, a fração nula pode ser determinada através da dissolução da resina quimicamente de acordo com ASTM D 3171-09.Os métodos de "queima" e "dissolução" são particularmente adequados para fibras de vidro, as quais geralmente são resistentes à dissolução de fusão e química. Em outros casos, contudo, a fração nula pode ser calculada indiretamente com base nas densidades do polímero termoplástico, das fibras e da tira (ou fita) de acordo com ASTM D 2734-09 (Método A), onde as densidades podem ser determinadas pelo Método A de ASTM D792-08. Evidentemente, a fração nula pode também ser estimada pelo uso de equipamento de microscópio convencional ou através do uso de equipamento de varredura de tomografia computadorizada (CT), tal como um Metrotom 1500 (2k x 2k) com detector de alta resolução.

Referindo-se à figura 3, uma modalidade de tal dispositivo de extrusão é mostrada. Mais particularmente, o aparelho inclui um extrusora 120 que contém um eixo de parafuso 124 montado no lado de dentro de um barril 122. Um aquecedor 130 (por exemplo, aquecedor de resistência elétrica) é montado no lado de fora do barril 122. Durante o uso, uma matéria-prima de polímero termoplástico 127 é fornecida ao extrusora 120 através de um funil 126. A matéria-prima termoplástica 127 é convertida do lado de dentro do barril 122 através de um eixo de parafuso 124 e aquecida através de forças friccionais do lado de dentro 122 e através do aquecedor 130. Após ser aquecida, a matéria- prima 127 sai do barril 122 através de um flange de barril 128 e entra em um flange de molde 132 de um molde de impregnação 150.

Uma mecha ligeiramente torcida de fibra contínua 142 ou uma pluralidade de mechas ligeiramente torcidas de fibra contínua 142 são fornecidas a partir de uma bobina ou bobinas 144 para o molde 150. As mechas ligeiramente torcidas 142 geralmente são mantidas separadas a certa distancia antes da impregnação, tal como pelo menos cerca de 4 milímetros e em algumas modalidades, pelo menos cerca de 5 milímetros. A matéria-prima 127 pode adicionalmente ser aquecida do lado de dentro do molde através de aquecedores 133 montados dentro ou em volta do molde 150. O molde geralmente é operado em temperaturas que são suficientes para causar a fusão e a impregnação do polímero termoplástico. Tipicamente, as temperaturas de operação do molde são maiores do que a temperatura de fusão do polímero termoplástico, tal como em temperaturas a partir de cerca de 200°C a cerca de 450°C. Quando processadas desta maneira, as mechas ligeiramente torcidas de fibra contínua 142 se tornam embutidas na matriz de polímero, que pode ser uma resina 214 (figura 4) processada a partir da matéria-prima 127. A mistura é então extrudada a partir do molde de impregnação 150 para criar um extrudado 152.

Um sensor de pressão 137 (figura 4) é sensível à pressão próxima ao molde de impregnação 150 para permitir controle a ser exercido sobre a taxa de extrusão através de controle da velocidade rotacional do eixo de parafuso 124 ou do associador do alimentador. Ou seja, o sensor de pressão 137 é posicionado próximo do molde de impregnação 150 de modo que a extrusora 120 pode ser operada para entregar uma quantidade certa de resina 214 para interação com as mechas ligeiramente torcidas de fibra 142. Após deixar o molde de impregnação 150, o extrudado 152 ou as mechas ligeiramente torcidas de fibra impregnadas 142 pode entrar em uma pré- forma opcional ou em uma seção de guia (não mostrada) antes da entrada em um nip formado entre dois cilindros adjacentes 190. Embora opcionais, os cilindros 190 podem ajudar a consolidar o extrudado 152 na forma de uma tira (ou fita), bem como intensificar a impregnação de fibra e livrar-se que qualquer excesso de vazios. Em adição aos cilindros 190, outros dispositivos de forma podem também ser empregados, tal como um sistema de dado. A tira consolidada resultante 156 é puxada por caminhos 162 e 164 montados sobre os cilindros. Os caminhos 162 e 164 também puxam o extrudado 152 a partir do molde de impregnação 150 e através dos cilindros 190. Se desejado, a tira consolidada 156 pode ser concluída em uma seção 171. Genericamente falando, as tiras são relativamente finas e tipicamente apresentam uma espessura a partir de cerca de 0,05 a cerca de 1 milímetro, em algumas modalidades a partir de cerca de 0,1 a cerca de 0,8 milímetros e em algumas modalidades, a partir de cercade 0,2 a cerca de 0,4 milímetros.

Dentro do molde de impregnação, deseja-se normalmente que as mechas ligeiramente torcidas 142 sejam atravessadas através de uma zona de impregnação 250 para impregnar as mechas ligeiramente torcidas com a resina de polímero 214. Na zona de impregnação 250, a resina de polímero pode ser forcada geralmente de forma transversal através das mechas ligeiramente torcidas por um cisalhamento e pressão criados na zona de impregnação 250, que intensifica significativamente o grau de impregnação. Isto é particularmente útil na formação de um compósito a partir de tiras de um alto teor de fibra, tal como cerca de 35% em fração de peso ("fp") ou mais e em algumas modalidades, a partir de cerca de 40% em fp ou mais. Tipicamente, o molde 150 incluirá uma pluralidade de superfícies de contato 252, tais como, por exemplo, pelo menos 2, pelo menos 3, a partir de 4 a 7, a partir de 2 a 20, a partir de 2 a 30, a partir de 2 a 40, a partir de 2 a 50 ou mais superfícies de contato 252, para criar um grau suficiente de penetração e pressão sobre as mechas ligeiramente torcidas 142. Embora suas formas particulares possam variar, a superfícies de contato 252 tipicamente possuem uma superfície curvilínea, tal como um lóbulo arqueado, uma haste, etc. As superfícies de contato 252 também são feitas tipicamente de um material metálico.

A figura 4 mostra uma vista transversal de um molde de impregnação 150.Conforme mostrado, o molde de impregnação 150 inclui um conjunto de distribuidor 220, um portão de passagem 270 e uma zona de impregnação 250. O conjunto de distribuidor 220 é provido para circular a resina de 15/53 polímero 214 através do mesmo. Por exemplo, o conjunto de distribuidor 220 pode incluir um canal 222 ou uma pluralidade de canais 222. A resina 214 provida ao molde de impregnação 150 pode circular através dos canais 222.

Conforme mostrado na figura 5, algumas partes dos canais 222 podem ser curvilíneas e em modalidades exemplares, os canais 222 apresentam uma orientação simétrica ao longo de um eixo central 224. Adicionalmente, em algumas modalidades, os canais podem ser uma pluralidade de condutores ramificados 222, que podem incluir um primeiro grupo condutor ramificado 232, um segundo grupo 234, um terceiro grupo 236 e, se desejado, mais grupos condutores ramificados. Cada grupo pode incluir 2,3,4 ou mais condutores 222 com ramificação a partir de condutores 222 no grupo precedente ou a partir de canal inicial 222.

Os condutores ramificados 222 e a orientação simétrica dos mesmos distribuem ainda, em geral, a resina 214, de modo que o fluxo de resina 214 saindo do conjunto de distribuidor 220 e revestindo as mechas ligeiramente torcidas 142 seja substancial e uniformemente distribuído sobre as mechas ligeiramente torcidas 142. Isto desejavelmente permite a impregnação geralmente uniforme das mechas ligeiramente torcidas 142.

Adicionalmente, o conjunto de distribuidor 220 pode, em algumas modalidades, definir uma região de saída 242, que geralmente engloba pelo menos uma parte à jusante dos canais ou condutores 222 a partir dos quais a resina 214 sai. Em algumas modalidades, pelo menos uma parte dos canais ou condutores 222 dispostos na região de saída 242 que apresenta um aumento de área em uma direção de fluxo 244 da resina 214. O aumento de área permite a difusão e a adicional distribuição da resina 214, visto que a resina 214 circula através do conjunto de distribuidor 220, que adicionalmente permite distribuição substancialmente uniforme da resina 214 sobre as mechas ligeiramente torcidas 142.

Conforme adicionalmente ilustrado nas figuras 4 e 5, após escoar através do conjunto de distribuidor 220, a resina 214 pode escoar através do portão de passagem 270. O portão de passagem 270 é posicionado entre o conjunto de distribuidor 220 e a zona de impregnação 250 e é provido para escoar a resina 214 a partir do conjunto de distribuidor 220 de modo que a resina cubra 214 as mechas ligeiramente torcidas 142. Portanto, a resina 214 que sai do conjunto de distribuidor 220, tal como através da região de saída 242, pode entrar no portão de passagem 270 e escoar através do mesmo, conforme mostrado.

Mediante a saída do conjunto de distribuidor 220 e do portão de passagem 270 do molde 150 conforme mostrado na figura 4, a resina 214 entra em contato com as mechas ligeiramente torcidas 142 sendo atravessada através do molde 150. Conforme discutido acima, a resina 214 pode revestir substancialmente as mechas ligeiramente torcidas 142, devido à distribuição da resina 214 no conjunto de distribuidor 220 e no portão de passagem 270. Adicionalmente, em algumas modalidades, a resina 214 pode colidir sobre uma superfície superior de cada uma das mechas ligeiramente torcidas 142 ou sobre uma superfície inferior de cada uma das mechas ligeiramente torcidas 142 ou sobre ambas as superfícies superiores e inferiores de cada uma das mechas ligeiramente torcidas 142. A colisão inicial sobre as mechas ligeiramente torcidas 142 fornece impregnação adicional das mechas ligeiramente torcidas 142 com a resina 214.

Conforme mostrado na figura 4, as mechas ligeiramente torcidas 142 revestidas são atravessadas em na direção de movimento 282 através da zona de impregnação 250, que é configurada para impregnar as mechas ligeiramente torcidas 142 com a resina 214. Por exemplo, conforme mostrado nas figuras 4 e 6, as mechas ligeiramente torcidas 142 são atravessadas sobre as superfícies de contato 252 na zona de impregnação. A colisão das mechas ligeiramente torcidas 142 sobre a superfície de contato 252 cria cisalhamento e pressão suficientes para impregnar as mechas ligeiramente torcidas 142 com a resina 214 que reveste as mechas ligeiramente torcidas 142.

Em algumas modalidades, conforme mostrado na figura 4, a zona de impregnação 250 é definida entre dois placas opostas espaçadas e separadas 256 e 258. A primeira placa 256 define uma primeira superfície interna 257, enquanto a segunda placa 258 define uma segunda superfície interna 259. As superfícies de contato 252 podem ser definidas sobre ou se estenderem a partir de ambas as primeiras e segundas superfícies internas 257 e 259 ou apenas sobre uma das primeiras e segundas superfícies internas 257 e 259. A figura 6 ilustra a segunda placa 258 e as várias superfícies de contato sobre a mesma que formam pelo menos uma parte da zona de impregnação 250 de acordo com estas modalidades. Em modalidades exemplares, conforme mostrado na figura 4, as superfícies de contato 252 podem ser definidas alternativamente sobre as primeiras e segundas superfícies 257 e 259 de modo que as mechas ligeiramente torcidas colidem alternativamente sobre as superfícies de contato 252 sobre as primeira e segundas superfícies 257 e 259. Portanto, as mechas ligeiramente torcidas 142 podem passar pelas superfícies de contato 252 em um trajeto e forma de onda, tortuoso ou do tipo sinusoidal, o que intensifica o cisalhamento.

O ângulo 254, no qual as mechas ligeiramente torcidas 142 atravessam as superfícies de contato 252, pode ser elevado o suficiente para intensificar o cisalhamento, mas não tão elevado para causar forças excessivas que quebrarão as fibras. Portanto, por exemplo, o ângulo 254 pode star a fixa entre aproximadamente 1° e aproximadamente 30° e em algumas modalidades, ente aproximadamente 5° e aproximadamente 25°.

Em modalidades alternativas, a zona de impregnação 250 pode incluir uma pluralidade de pinos (não mostrados), cada pino apresentando uma superfície de contato 252.Os pinos podem ser estáticos, livremente rotacionais ou rotacionalmente conduzidos. Em modalidades alternativas adicionais, a superfícies de contato 252 e a zona de impregnação 250 podem compreender qualquer forma adequada e/ou estruturas para impregnação das mechas ligeiramente torcidas 142 com a resina 214 quando desejado ou necessário.

Para facilitar adicionalmente a impregnação, das mechas ligeiramente torcidas 142, elas podem também ser mantidas sob tensão enquanto estão presentes dentro do molde de impregnação. A tensão pode, por exemplo, estar na faixa a partir de cerca de 5 a cerca de 300 Newtons, em algumas modalidades, a partir de cerca de 50 a cerca de 250 Newtons 19/53 e em algumas modalidades, a partir de cerca de 100 a cerca de 200 Newtons por mecha ligeiramente torcida 142 ou cabo de fibra.

Conforme mostrado na figura 4, em algumas modalidades, uma zona de pouso 280 pode ser posicionada à jusante da zona de impregnação 250 na direção de movimento 282 das mechas ligeiramente torcidas 142. As mechas ligeiramente torcidas 142 podem atravessar através da zona de pouso 280 antes de sair do molde 150. Conforme adicionalmente mostrado na figura 4, em algumas modalidades, uma placa dianteira 290 pode juntar-se à zona de impregnação 250. A placa dianteira 290 é geralmente configurada para mensurar o excesso de resina 214 a partir das mechas ligeiramente torcidas 142. Portanto, as aberturas na placa dianteira 290, através das quais as mechas ligeiramente torcidas 142 atravessam, podem apresentar um tamanho de modo que quando as mechas ligeiramente torcidas 142 são atravessadas através da mesma, o tamanho das aberturas causa excesso de resina 214 a ser removido das mechas ligeiramente torcidas 142.

O molde de impregnação mostrado e descrito acima é apenas uma das várias possíveis configurações que podem ser empregadas na presente invenção. Em modalidades alternativas, por exemplo, as mechas ligeiramente torcidas podem ser introduzidas dentro de um molde cruzado que é posicionado em um ângulo relativo à direção do fluxo da fusão de polímero. Visto que as mechas ligeiramente torcidas se movem através do molde cruzado e atingem o ponto onde o polímero sai de um barril extrusor, o polímero é forçado a entrar em contato com as mechas ligeiramente torcidas. Exemplos de tais extrusores de moldes cruzados estão descritos, por exemplo, nas Patentes U.S. No 3.993.726 para Moyer; No 4.588.538 para Chung e outros; No 5.277.566 para Augustin e outros e No 5.658.513 para Amaike e outros, que são aqui incorporadas em suas totalidades através de referência às mesmas para todos os propósitos. Deve ser também entendido que qualquer outro projeto de extrusor pode também ser empregado, tal como um extrusor de parafuso duplo. Ainda adicionalmente, outros componentes também podem ser opcionalmente empregados para auxiliar na impregnação das fibras. Por exemplo, um conjunto de "jato de gás" pode ser empregado em certas modalidades para auxiliar propagar uniformemente uma mecha ligeiramente torcida de fibras individuais, que podem conter cada uma, mais de 24.000 fibras, através de toda a largura do cabo fundido. Isto ajuda a alcançar distribuição uniforme de propriedades de resistência. Um tal conjunto pode incluir um fornecimento de ar comprimido ou outro gás que colide de um modo geralmente perpendicular sobre as mechas ligeiramente torcidas que passam através das portas de saída. As mechas ligeiramente torcidas podem então ser introduzidas dentro de um molde para impregnação, tal como descrito acima.

Com relação à técnica empregada, as fibras contínuas são orientadas na direção longitudinal (a direção da máquina "A" do sistema da figura 3) para intensificar a resistência à tração. Além da orientação da fibra, outros aspectos do processo de pultrusão são também controlados para alcançarem a resistência desejada. Por exemplo, uma porcentagem relativamente alta de fibras contínuas é empregada na tira consolidada para fornecer propriedades de resistência intensificadas. Por exemplo, as fibras contínuas tipicamente constituem a partir de cerca de 25% em peso a cerca de 80% em peso em algumas modalidades a partir de cerca de 30% em peso a cerca de 75% em peso e em algumas modalidades, a partir de cerca de 35% em peso a cerca de 60% em peso da tira. Da mesma forma, o (s) polímero (s) termoplástico(s) tipicamente constituem a partir de cerca de 20% em peso a cerca de 75% em peso, em algumas modalidades a partir de cerca de 25% em peso a cerca de 70% em peso e em algumas modalidades, a partir de cerca de 40% em peso a cerca de 65% em peso da tira. A porcentagem das fibras e da matriz termoplástica na haste final pode também estar nas faixas notadas acima.

Conforme notado acima, as mechas ligeiramente torcidas podem ser consolidadas na forma de uma ou mais tiras antes de serem conformadas para configuração de haste desejada. Quando uma tal tira é subsequentemente comprimida, as mechas ligeiramente torcidas podem se tornar distorcidas em uma maneira geralmente uniforme em torno de um centro longitudinal da haste. Uma tal distribuição uniforme intensifica a consistência das propriedades de resistência (por exemplo, nódulos flexurais, resistência à tração máxima, etc.) sobre todo o comprimento da haste. Quando empregado, o número de tira consolidadas utilizadas para formar a haste variará com base na espessura desejada e/ou área em seção transversal e resistência da haste, bem como a própria natureza das tiras. Na maioria dos casos, contudo, o número de tiras é a partir de 1 a 20 e em algumas modalidades, a partir de 2 a 10. O número de mechas ligeiramente torcidas empregado em cada tira pode, da mesma forma, variar. Tipicamente, contudo, uma tira conterá a partir de 2 a 10 mechas ligeiramente torcidas e em algumas modalidades, a partir de 3 a 5 mechas ligeiramente torcidas. Para ajudar a alcançar a distribuição simétrica das mechas ligeiramente torcidas no final da haste, deseja-se geralmente que elas sejam espaçadas para longe aproximadamente da mesma distância a partir de uma da outra dentro da fita. Referindo-se à figura 1, por exemplo, uma modalidade de uma tira consolidada 4 é mostrada por conter três (3) mechas ligeiramente torcidas 5 espaçadas equidistantes partir de cada uma na direção x. Em outras modalidades, contudo, pode ser desejado que as mechas ligeiramente torcidas sejam combinadas, de modo que as fibras das mechas ligeiramente torcidas sejam geralmente uniformemente distribuídas através de toda a tira 4. Nestas modalidades, as mechas ligeiramente torcidas podem ser geralmente indistinguíveis uma da outra.Referindo-se à figura 2, por exemplo, uma modalidade de uma tira consolidada 4 é mostrada por conter mechas ligeiramente torcidas que são combinadas de modo que as fibras sejam de forma geral, uniformemente distribuídas.

A maneira específica na qual as mechas ligeiramente torcidas são conformadas é também cuidadosamente controlada para garantir que a haste possa ser formada com um grau de compressão adequado e propriedades de resistência. Referindo-se à figura 7, por exemplo, uma modalidade particular de um sistema e método para formação de uma haste é mostrada. Nesta modalidade, duas tiras 12 são fornecidas inicialmente e uma caixa de fiação sobre um tear 20. O tear 20 pode ser um tear de desenrolamento que inclui um quadro fornecido com fusos de rotação horizontais 22, cada um servindo de apoio para uma caixa. Um tear lucrativo pode também ser empregado, particularmente se desejado para induzir uma torção das fibras, de modo que quando se utiliza fibras brutas em uma configuração de etapa única. Deve ser também entendido que as tiras podem também ser formadas em linha com a formação da haste. Em uma modalidade, por exemplo, o extrudado 152 que sai do molde de impregnação 150 a partir de figura 3 pode ser diretamente fornecido para o sistema utilizado para formar uma haste. Um dispositivo de regulagem de tensão 40 pode ser empregado para auxiliar o controle do grau de tensão nas tiras 12. O dispositivo 40 pode incluir placas de entrada 30 que se assentam em uma placa paralela vertical aos fusos de rotação 22 do tear 20 e/ou perpendicular às fitas de entrada. O dispositivo de regulagem de tensão 40 pode conter barras cilíndricas 41 dispostas em uma configuração escalonada de modo que a tira 12 passa sobre e sob estas barras para definir um padrão de onda. A altura das barras pode ser ajustada para modificar a amplitude do padrão de onda e controlar a tensão.

As tiras 12 podem ser aquecidas em um forno 45 antes da entrada na consolidação de molde. O aquecimento pode ser conduzido utilizando qualquer tipo conhecido de forno, como em um forno infravermelho, forno convencional, etc. Durante o aquecimento, as fibras na tira são orientadas de forma unidirecional para otimizar a exposição ao calor e manter o calor uniforme através de toda a tira. A temperatura na qual as fitas 12 são aquecidas geralmente é alta o suficiente para amolecer o polímero termoplástico para uma extensão que as tiras possam se ligar. Contudo, a temperatura não é tão alta a ponto de destruir a integridade do material. A 24/53 temperatura pode, por exemplo, estar na faixa a partir de cerca de 100°C a cerca de 500°C, em algumas modalidades a partir de cerca de 200°C a cerca de 400°C e em algumas modalidades, a partir de cerca de 250°C a cerca de 350°C. Em uma modalidade particular, por exemplo, sulfeto de polifenileno ("PPS") é usado como o polímero e as tiras são aquecidas para ou acima do ponto de fusão de PPS, que é em torno de 285°C.

Mediante o aquecimento, as tiras 12 são fornecidas para um molde de consolidação 50 que as comprime juntas dentro de uma pré-forma 14, bem como alinha e forma o formato inicial da haste. Conforme mostrado, de forma geral, na figura 7, por exemplo, as tiras 12 são guiadas através de uma passagem de fluxo 51 do molde 50 em uma direção "A" a partir de uma entrada 53 para uma saída 55. A passagem 51 pode apresentar qualquer uma variedade de formatos e/ou tamanhos para alcançar a configuração de haste. Por exemplo, o canal e a configuração de haste podem ser circulares, elípticos, parabólicos, etc. Dentro do molde 50, as tiras são geralmente mantidas em uma temperatura de ou acima do ponto de fusão da matriz termoplástica utilizada na tira para garantir consolidação adequada.

O aquecimento, compressão e moldagem desejadas das tiras 12 podem ser realizados através do uso de um molde 50 que apresenta uma ou múltiplas seções. Por exemplo, embora não mostradas em detalhes aqui, o molde de consolidação 50 pode possuir múltiplas seções que funcionam juntas para comprimir o formato das tiras 12 para a compressão desejada. Por exemplo, uma primeira seção da passagem 51 pode ser uma zona cônica que inicialmente modela o material, visto que ele flui a partir de dentro do molde 50. A zona cônica geralmente possui uma área em seção transversal que é maior em sua entrada do que em sua saída. Por exemplo, a área em seção transversal da passagem 51 na entrada da zona cônica pode ser cerca de 2% ou mais, em algumas modalidades cerca de 5% ou mais e em algumas modalidades, a partir de cerca de 10% a cerca de 20% maior do que a área em seção transversal na saída da zona cônica. Independentemente, a seção transversal da passagem de fluxo tipicamente se modifica gradual e suavemente dentro da zona cônica de modo que um fluxo balanceado do material compósito através do molde pode ser mantido. Uma zona de moldagem pode também seguir a zona cônica que comprime o material e fornece um fluxo geralmente homogêneo através do mesmo. A zona de moldagem pode também pré-modelar o material para um formato intermediário que é similar àquele da haste, mas tipicamente de uma área em seção transversal maior para permitir a expansão do polímero termoplástico enquanto é aquecido para minimizar o risco de voltar para dentro do molde 50. A zona de moldagem poderia também incluir uma ou mais características superficiais que transmitem uma mudança direcional para a pré-forma.As mudanças direcionais forçam o material a ser redistribuído resultante em uma distribuição mais uniforme da fibra/resina no formato final.Isto também reduz o risco de pontos mortos no molde que pode causar a queima da resina. Por exemplo, a área em seção transversal da passagem 51 na zona de moldagem pode ser cerca de 2% ou more, em algumas modalidades cerca de 5% ou more e em algumas modalidades, a partir de cerca de 10% a cerca de 20% maior do que a largura da pré-forma 14. A região de molde pode também seguir a zona de moldagem para servir como uma saída para passagem 51. A zona de moldagem, zona cônica e/ou a região de molde podem ser aquecidas a uma temperatura de ou acima daquela de temperatura de transição do vidro ou do ponto de fusão da matriz termoplástica.

Se desejado, um segundo molde 60 (por exemplo, molde de calibração) pode ser também empregado que comprime a pré- forma 14 para o formato final da haste. Quando empregado, deseja-se que às vezes que a pré-forma 14 seja permitida a aquecer brevemente após a saída do molde de consolidação 50 e antes da entrada no segundo molde opcional 60. Isto permite que a pré-forma consolidada 14 retenha seu formato inicial antes de adicionalmente prosseguir através do sistema. Tipicamente, o resfriamento reduz a temperatura do exterior da haste para abaixo da temperatura do ponto de fusão da matriz termoplástica para minimizar e substancialmente evitar a ocorrência de fratura de fusão sobre a superfície exterior da haste. A seção interna da haste, contudo, pode permanecer fundida para garantir a compressão quando a haste entra no corpo do molde de calibração. Tal resfriamento pode ser realizado pela simples exposição da pré-forma 14 à atmosfera ambiente (por exemplo, temperatura ambiente) ou através do uso de técnicas de resfriamento ativas (por exemplo, banho-maria ou resfriamento ao ar) conforme é conhecido na técnica. Em uma modalidade, por exemplo, o ar é soprado sobra a pré-forma 14 (por exemplo, com um anel de ar). O resfriamento entre estes estágios, contudo, geralmente ocorre durante um curto período de tempo para garantir que a pré-forma 14 seja ainda mole o suficiente para ser adicionalmente modelada. Por exemplo, após a saída do molde de consolidação 50, a pré- forma 14 pode ser exposta ao ambiente por apenas cerca de 1 a cerca de 20 segundos e em algumas modalidades, a partir de cerca de 2 a cerca de 10 segundos, antes da entrada no segundo molde 60. Dentro do molde 60, a pré-forma é geralmente mantida em uma temperatura abaixo do ponto de fusão da matriz termoplástica utilizada na tira de modo que o formato da haste possa ser mantido. Embora os moldes acima tenham sido referidos como únicos, deve ser entendido que os moldes 50 e 60 possam ser, de fato, formados a partir de múltiplos moldes individuais (por exemplo, moldes de superfície plana).

Assim, em algumas modalidades, múltiplos moldes individuais 60 podem ser utilizados para moldar gradualmente o material na configuração desejada. Os moldes 60 são colocados em série e proveem diminuições graduais nas dimensões do material. Tais diminuições graduais permitem enrugamento durante e entre as várias etapas.

Por exemplo, como mostrado nas figuras 9 a 12, um primeiro molde 60 pode incluir uma ou mais entradas 62 e saídas correspondentes 64, como mostrado. Qualquer número de entradas 62 e saídas correspondentes 64 pode ser incluído em um molde 60, tal como quatro, como mostrado, um, dois, três, cinco, seis ou mais. Uma entrada 62 em algumas modalidades pode ser geralmente com formato oval ou circular. Em outras modalidades, a entrada 62 pode ter um formato retangular arqueado, isto é, um formato retangular com cantos arqueados ou um formato retangular com straight longer paredes laterais mais longas retas e paredes laterais mais curtas arqueadas. Adicionalmente, uma saída 64 pode ter geralmente formato oval ou circular ou pode ter um formato retangular arqueado. Em algumas modalidades em que uma entrada com formato oval é utilizada, a entrada 62 pode ter uma razão do comprimento de eixo geométrico principal 66 para o comprimento de eixo geométrico secundário 68 em uma faixa entre aproximadamente 3 a 1 e aproximadamente 5 a 1. Em algumas modalidades em que uma entrada com formato oval ou circular é utilizada, a saída 64 pode ter uma razão do comprimento de eixo geométrico principal 66 para o comprimento de eixo geométrico secundário 68 em uma faixa entre aproximadamente 1 a 1 e aproximadamente 3 a 1. Em modalidades em que um formato retangular arqueado é utilizado, a entrada e saída podem ter razões de comprimento de eixo geométrico principal 66 para comprimento de eixo geométrico secundário 66 (razões do aspecto) entre aproximadamente 2 a 1 e aproximadamente 7 a 1, com uma razão de saída 64 sendo menor do que uma razão de entrada 62.

Em outras modalidades, a área em seção cruzada de uma entrada 62 e a área em seção cruzada de uma correspondente saída 64 do primeiro molde 60 podem ter uma razão em uma faixa entre aproximadamente 1,5 a 1 e 6 a 1.

O primeiro molde 60 assim provê uma transformação geralmente suave de material de fibra impregnado com polímero em um formato que é relativamente similar em um formato final de uma haste resultante, que em modalidades exemplares tem uma seção cruzada em formato circular ou oval. Os moldes subsequentes, tais como um segundo molde 60 e terceiro molde 60, como mostrado na figura 9, podem prover adicionais diminuições e/ou mudanças graduais nas dimensões do material, tal que o formato do material é convertido em um formato em seção cruzada final de uma haste. Estes moldes subsequentes 60 podem ambos conformar e resfriar o material. Por exemplo, em algumas modalidades, cada molde subsequente 60 pode ser mantido emu ma temperatura menor do que a dos moldes anteriores. Em modalidades exemplares, todos os moldes 60 são mantidos em temperaturas que são maiores do que uma temperatura do ponto de amolecimento para o material.

Em modalidades exemplares adicionais, os moldes 60 tendo comprimentos de região relativamente longos 69 poderm ser desejados, devido a, por exemplo, desejos de resfriamento e solidificação apropriados, os quais são críticos na obtenção de um formato e um tamanho desejado da haste. Comprimentos de região relativamente longos 69 reduzem tensões e proveem transformações suaves nos formatos e tamanhos desejados e com fração nula mínima e características do arco. Em algumas modalidades, por exemplo, uma razão de comprimento da região 69 em uma saída 64 para o comprimento de eixo geométrico principal 66 em uma saída 64 para um molde 60 pode ser na faixa entre aproximadamente 0 e aproximadamente 20, tal como entre aproximadamente 2 e aproximadamente 6.

O uso de moldes de calibração 60 de acordo com a presente descrição provê mudanças graduais na seção cruzada do material, como discutido. Estas mudanças graduais podem, em modalidades exemplares, asseguram que o produto resultante tal como uma haste ou outro produto adequado tem uma distribuição de fibra geralmente uniforme com fração nula relativamente mínima.

Deve ser entendido que qualquer número adequado de moldes 60 pode ser utilizado para formar gradualmente o material em um perfil tendo qualquer formato em seção cruzada adequado, como discutido ou exigido pelas várias aplicações.

Além do uso de um ou mais moldes, outros mecanismos também podem ser empregados para ajudar a comprimir a pré- forma 14 no formato de uma haste. Por exemplo, rolos de formação 90, como mostrado na figura 12, podem ser empregados entre o molde de consolidação 50 e o molde de calibração 60, entre ao vários moldes de calibração 60 e/ou após os moldes de calibração 60 ainda comprimirem a pré- forma 14 antes dela ser convertida em seu formato final. Os rolos podem ter qualquer configuração, tal como rolos de aperto, rolos de sobreposição, etc. e podem ser verticais como mostrado ou rolos horizontais. Dependendo da configuração do rolo 90, as superfícies dos rolos 90 podem usinadas para conferir as dimensões do produto final, tal como uma haste, perfil ou outro produto adequado à pré-forma 14. Na modalidade exemplar, a pressão dos rolos 90 deve ser ajustável para otimizar a qualidade do produto final.

Os rolos 90, nas modalidades exemplares tais como pelo menos as porções que contatam o material, podem ter geralmente superfícies lisas. Por exemplo, superfícies polidas relativamente duras são desejadas em muitas modalidades.Por exemplo, a superfície dos rolos pode ser formada de um cromo relativamente liso ou outro material adequado. Isto permite que os rolos 90 manipulem a pré-forma 14 sem danificar ou alterar indesejavelmente a pré-forma 14. Por exemplo, tais superfícies podem impeder o material de grudar nos rolos e os rolos podem conferir superfícies lisas sobre os materials.

Em algumas modalidades, a temperatura dos rolos 90 é controlada.Isto pode ser realizado pelo aquecimento dos rolos 90 por si sós ou pela colocação dos rolos 90 em um ambiente com a temperatura controlada.

Adicionalmente em algumas modalidades, ascaracterísticas da superfície 92 podem ser providas sobre os rolos 90.As características da superfície 92 podem guiar e/ou controlar a pré-forma 14 em uma ou mais direções, visto que ela é passada através dos rolos. Por exemplo, as características da superfície 92 podem ser provides para impedir a pré-forma 14 de dobrar sobre si mesma, visto que ela é passada através dos rolos 90. Assim, as características da superfície 92 podem guiar e controlar a deformação de uma pré-forma 14 na direção contrária à máquina em relação à direção da máquina A assim como na direção vertical em relação à direção da máquina A. A pré- forma 14 pode, assim, ser empurrada na direção contrária à máquina, em vez de dobrada sobre si mesma, visto que ela é passada através dos rolos 90 na direção da máquina A.

Em algumas modalidades, os dispositivos de regulação da tensão podem ser providos em comunicação com os rolos. Estes dispositivos podem ser utilizados com os rolos para aplicar a tensão à pré-forma 14 na direção da máquina, direção contrária à máquina e/ou direção vertical para ainda guiar e/ou controlar a pré-forma.

Se desejado, a haste resultante também pode aplicar uma camada de capeamento para protegê-la das condições ambientais ou para melhorar a resistência ao desgaste. Referindo-se novamente à figura 7, por exemplo, tal camada de capeamento pode ser aplicada por meio de uma extrusora orientada em qualquer ângulo desejado para introduzir uma resina termoplástica dentro de um molde de capeamento 72. Polímeros termoplásticos adequados para uma camada de capeamento podem incluir, por exemplo, poliolefinas (por exemplo, polipropileno, polipropileno, copolímeros de propileno-etileno, etc.), poliésteres (por exemplo, tereftalato de polibutileno ("PBT")), policarbonatos, poliamidas (por exemplo, Nylon®), poliéter cetonas (por exemplo, poliéter éter cetona ("PEEK")), polieterimidas, poliarileno cetonas (por exemplo, polifenileno dicetona ("PPDK")), polímeros de cristal líquido, sulfetos de poliarileno (por exemplo, sulfeto de polifenileno ("PPS"), poli (sulfeto de difenileno cetona), poli (sulfeto de bifenileno), etc.), fluorpolímeros (por exemplo, polímero de politetrafluoretileno-perfluormetilviniléter, polímero de perflúor-alcoxialcano, polímero de petrafluoretileno, polímero de etileno-tetrafluoretileno, etc.), poliacetais, poliuretanos, policarbonatos, polímeros estirênicos (por exemplo, acrilonitrila butadieno estireno ("ABS")), polímeros acrílicos, cloreto de polivinila (PVC), etc.

Quando empregados em certas aplicaçõies, tais como cabos de transmissão elétricos, a camada de capeamento pode ajudar a impedir uma resposta galvânica. Em tais modalidades, é tipicamente desejado que o material de capeamento tenha uma resistência dielétrica de pelo menos cerca de 1 kilivolt por milímetro (kV/mm), em algumas modalidades pelo menos cerca de 2 kV/mm, em algumas modalidades de cerca de 3 kV/mm a cerca de 50 kV/mm e em algumas modalidades, de cerca de 4 kV/mm a cerca de 30 kV/mm, tal como determinado de acordo com ASTM D149-09.

Materiais de camada de capeamento com alta resistência dielétrica particularmente adequados podem incluir policetona (por exemplo, polietereter cetona ("PEEK")), polissulfeto (por exemplo, sulfeto de poliarileno) ou uma mistura dos mesmos.

Embora não necessário por nenhum meio, a camada de capeamento pode estar geralmentre livre de fibras contínuas. Isto é, a camada de capeamento pode conter menos do que cerca de 10 % em peso de fibras contínuas, em algumas modalidades cerca de 5 % em peso ou menos de fibras contínuas e, em algumas modalidades, cerca de 1 % em peso ou menos de fibras contínuas (por exemplo, 0 % em peso). Não obstante, a camada de capeamento pode conter outros aditivos oara a melhoria das propriedades finais de uma haste. Os materiais aditivos empregados neste estágio podem incluir aqueles que não são adequados para a incorporação no material de fibra contínuo. Por exemplo, pode ser desejável adicionar pigmentos para reduzir o trabalho no acabamento ou pode ser desejável adicionar agentes retardantes de chama para intensificar as características retardantes de chama de uma haste. Visto que muitos materiais aditivos são sensíveis ao calor, uma quantidade excessiva de calor pode fazê-los se decompor e produzir gases voláteis. Portanto, se um material aditivo sensiível ao calor for extrudado com uma resina de impregnação sob condições de alto aquecimento, o resultado pode ser uma completa degradação do material aditivo. Os materiais aditivos podem incluir, por exemplo, agents de reforço mineral, lubrificantes, retardantes de chama, agentes de agentes de expansão, agentes espumantes, agentes resistentes à luz ultravioleta, estabilizantes térmicos, pigmentos e combinações dos mesmos. Os agentes de reforço mineral adequados podem incluir, por exemplo, carbonato de cálcio, sílica, mica, argilas, talco, silicato de cálcio, grafita, alumina tri-hidratada, ferrita de bário e combinações dos mesmos.

Embora não mostrado em detalhes, o molde de capeamento 72 pode incluir várias características conhecidas na técnica para ajudar a alcançar a aplicação desejada de uma camada de capeamento. Por exemplo, o molde de capeamento 72 pode incluir uma guia de entrada que alinha a haste de entrada. O molde de capeamento também pode incluir um mecanismo de aquecimento (por exemplo, placa aquecida) que preaquece uma haste antes da aplicação de uma camada de capeamento para ajudar a garantir a adequada ligação. Após o capeamento, a peça conformada 15 é a seguir finalmente resfriada usando um sistema de resfriamento 80 como é conhecido na técnica. O sistema de resfriamento 80 pode, por exemplo, ser um sistema de dimensionamento que inclui um ou mais blocos (por exemplo, blocos de alumínio) que encapsulam completamente uma haste enquanto um vácuo arrasta o molde quente para fora contra suas paredes à medida que ele resfria. Um meio de resfriamento pode ser fornecido ao dimensionador, tal como ar ou água para solidificar a haste no formato correto.

Mesmos se um sistema de dimensionamento não for empregado, é geralmente desejado resfriar a haste após ela sair do molde de capeamento (ou do molde de consolidação ou de calibração se o capeamento não for aplicado). O resfriamento pode ocorrer usando qualquer técnica na técnica, tal como tanque de água, corrente de ar ou jato de ar resfriado, jaqueta de resfriamento, um canal de resfriamento interno, canais de circulação de fluido de resfriamento, etc. De qualquer maneira, a temperatura na qual o material é resfriado é geralmente controlada para alcançar ótimas propriedades mecânicas, tolerâncias dimensionais da peça, bom processamento e um compósito esteticamente agradável. Por exemplo, se a temperatura de uma estaçãod e resfriamento for muito alta, o material pode inchar no ferramenta e interromper o processo. Para materiais semicristalinos, uma temperatura muito baixa pode da mesma forma fazer com que o material resfrie muito rapidamente e não permita a completa cristalização, pondo em perigo dessa forma as propriedades de resistência mecânica e química do compósito. As seções de molde de resfriamento múltiplo com controle de temperatura independente podem ser utilizadas para conferir atributos de equilíbrio de processamento e desempenho ótimos. Em uma modalidade particular, por exemplo, um tanque de água é empregado que é mantido em uma temperatura de cerca de 0°C a cerca de 30°C, em algumas modalidades de cerca de 1°C a cerca de 20°C e, em algumas modalidades, de cerca de 2°C a cerca de 15°C.

Se desejado, um ou mais blocos de dimensionamento (não mostrados) também poodem ser empregados tal como após o capeamento. Tais blocos contêm aberturas que são cortadas no formato exato da haste, graduadas desde demasiado grande no início até o formato da haste final. À medida que a haste passa por isso, qualquer tendência para que ela se mova ou se curve é anulada e ela é arrastada novamente (repetidamente) para o seu correto formato. Uma vez dimensionada, a haste pode ser cortada no comprimento desejado em uma estação de corte (não mostrada), tal como com uma serra de corte capaz de realizar cortes em seção cruzada ou a haste pode ser enrolada em uma bobina em um processo contínuo. O comprimento da haste sera então limitado ao comprimento do cabo da fibra.

Como será apreciado, a temperatura da haste, à medida que ela avança através de qualquer seção do sistema da presente invenção, pode ser controlada para render ótimas propriedades de fabricação e do compósito final desejado. Qualquer uma ou todas as seções do conjunto podem ter a temperatura controlada utilizando aquecedores de cartucho elétricos, resfriamento de fluido circulado, etc. ou qualquer outro dispositivo de controle da temperatura conhecido por aqueles versados na técnica.

Referindo-se novamente à figura 7, um dispositivo de arraste 82 é posicionado a jusante do sistema de resfriamento 80 que arrasta a haste acabada 16 através do sistema para o dimensionamento final do compósito. O dispositivo de arraste 82 pode ser qualquer dispositivo capaz de arrastar a haste através do sistema de processo em uma taxa desejada. Os dispositivos de arraste típicos incluem, por exemplo, puxadores de corrente sem fim e puxadores alternativos.

Uma modalidade de uma haste formada do método descrito acima é mostrada em mais detalhes na figura 8 como o elemento 516. Como ilustrado, a haste 516 tem um formato geralmente circular e inclui um núcleo 514 formado de uma ou mais tiras consolidadas. Por "geralmente circular", entende- se geralmente que a razão de aspecto de uma haste (altura dividida pela largura) é tipicamente de cerca de 1,0 a cerca de 1,5 e, em algumas modalidades, cerca de 1,0. Devido ao controle seletivo sobre o processo usado para impregnate as mechas ligeiramente torcidas e de uma tira consolidada, assim como o processo para comprimir e conformar a tira, a haste é capaz de possuir uma distribuição relativamente uniforme da matriz termoplástica ao longo de seu comprimento total. Isto também significa que as fibras contínuas são distribuídas de uma maneira geralmente uniforme em torno do eixo geométrico central longitudinal "L" de uma haste 516. Como mostrado na figura 8, por exemplo, o núcleo 514 inclui as fibras contínuas 526 embutidas dentro de uma matriz termoplástica 528. As fibras 526 são distribuídas geralmente de forma uniforme em torno do eixo geométrico longitudinal "L." deve ser entendido que apenas algumas fibras são conhecidas na figura 8 e que a haste conterá tipicamente um número substancialmente ainda maior de fibras distribuídas uniformemente.

Uma camada de capeamento 519 se estende opcionalmente em torno do perímetro do núcleo 514 e define uma superfície externa de uma haste 516. A espessura da seção cruzada ("T") do núcleo 514 pode ser selecionada estrategicamente para ajudar a alcançar uma resistência particular. Por exemplo, o núcleo 514 pode ter uma espessura (por exemplo, diâmetro) de cerca de 0,1 a cerca de 40 milímetros, em algumas modalidades de cerca de 0,5 a cerca de 30 milímetros e em algumas modalidades, de cerca de 1 a cerca de 10 milímetros. A espessura de uma camada de capeamento 519 depende da função pretendida da peça, mas é tipicamente de cerca de 0,01 a cerca de 10 milímetros e em algumas modalidades, de cerca de 0,02 a cerca de 5 milímetros. Independentemente, a espessura da seção cruzada total ou a altura de uma haste varia tipicamente de cerca de 0,1 a cerca de 50 milímetros, em algumas modalidades de cerca de 0,5 a cerca de 40 milímetros e, em algumas modalidades, de cerca de 1 a cerca de 20 milímetros. Embora a haste possa ser substancialmente contínua em comprimento, o comprimento de uma haste é de forma frequente praticamente limitado pelo carretel sobre o qual ela é enrolada e armazenada ou o comprimento das fibras contínuas. Por exemplo, o comprimento frequentemente varia de cerca de 1000 a cerca de 5000 metros, embora comprimentos ainda maiores sejam certamente possíveis.

Através do controle sobre os va'rios parâmetros mencionados acima, as hastes tendo uma resistência muito alta podem ser formadas. Por exemplo, as hastes podem exibir um módulo flexural relativamente alto. O termo "módulo flexural" geralmente se refere à razão de esforço para tensão na deformação flexural (unidadesde força por área) ou a tendência a curvar um material. Isso é determinado a partir de uma inclinação da curva de esforço-tensão produzida por um teste "flexural de três pontos" (tal como ASTM D790-10, Procedimento A),tipicamenteà temperaturaambiente.Por exemplo, a hastedapresente invenção podeexibir um módulo flexural de cerca de 10 Gigapascals ("GPa") ou mais,em algumas modalidadesdecerca de12 a cerca de400 GPa,em algumas modalidadesdecerca de15 a cerca de200 GPa e, em algumas modalidades, de cerca de 20 a cerca de 150 GPa. Além disso, a resistência à tração final pode ser de cerca de 300 Megapascals ("MPa") ou mais, em algumas modalidades de cerca de 400 MPa a cerca de 5.000 MPa e, em algumas modalidades, de cerca de 500 MPa a cerca de 3.500 MPa. O termo "resistência à tração final" se refere geralmente ao esforço máximo que um material pode suportar sendo esticado ou arrastado antes do arqueamento e é o esforço máximo alcançado em uma curva de esforço-tensão produzida por um teste de tração (tal como ASTM D3916-08) à temperatura ambiente. O módulo de elasticidade de tração também pode ser de cerca de 50 GPa ou mais, em algumas modalidades de cerca de 70 GPa a cerca de 500 GPa e, em algumas modalidades, de cerca de 100 GPa a cerca de 300 GPa. O termo "módulo de elasticidade de tração" geralmente se refere à razão de tensão de tração sobre a deformação por tração e é a inclinação de uma curva de esforço-tensão curve produced by a tensile test (tal como ASTM 3916-08) à temperatura ambiente. Notavelmente, as propriedades de resistência de uma haste compósita referenciada acima também podem ser mantidas sobre uma faixa de temperatura relativamente ampla, tal como de cerca de -40°C a cerca de 300°C e, particularmente, de cerca de 180°C a 200°C.

Hastes feitas de acordo com a presente descrição podem ainda ter resistência à fadiga relativamente flexural, e podem exibir resistência residual relativamente alta. Resistência à fadiga flexural e resistência flexural residual podem ser determinadas com base em um teste de "fadiga flexural de três pontos" (tal como ASTM D790, tipicamente à temperatura ambiente. Por exemplo, as hastes da presente invenção podem exibir resistência flexural residual após um milhão de ciclos a 160 Newtons ("N") ou cargas de 180 N de cerca de 413,68 MPa (60 kilogramas por polegada quadrada ("ksi")) a cerca de 792,89 MPa (115 ksi), em algumas modalidades cerca de 482,63 MPa (70 ksi) a cerca de 792,89 MPa (115 ksi) e, em algumas modalidades cerca de 655,00 Mpa (95 ksi) a cerca de 792,89 MPa (115 ksi). Adicionalmente, as hastes podem exibir reduções relativamente mínimas na resistência flexural. Por exemplo, as hastes tendo frações nulas de cerca de 4% ou menos, em algumas modalidades cerca de 3% ou menos, podem exibir reduções na resistência flexural após o teste de fadiga flexural de três pontos de cerca de 1% (por exemplo, de uma resistência flexural primitiva máxima de cerca de 730,84 MPa (106 ksi) a uma resistência flexural residual máxima de cerca de 723,95 MPa (105 ksi)). A resistência flexural pode ser testada antes e após o teste de fadiga usando, por exemplo, um teste flexural de três pontos como discutido acima.

O coeficiente de expansão térmica linear de uma haste compósita pode ser, emu ma base de ppm por oC, menor do que cerca de 5, menor do que cerca de 4, menor do que cerca de 3 ou menor do que cerca de 2. Por exemplo, o coeficiente (ppm/oC) pode ser em uma faixa de cerca de -0,25 a cerca de 5; alternativamente, de cerca de -0,17 a cerca de 4; alternativamente, de cerca de -0,17 a cerca de 3; alternativamente, de cerca de -0,17 a cerca de 2; or alternativamente, de cerca de 0,29 a cerca de 1,18. A faixa de temperatura contemplada para este coeficiente de expansão térmica linear pode ser geralmente na faixa de -50 oC a 200 oC, na faixa de 0 oC a 200 oC, na faixa de 0 oC a 175 oC ou na faixa de 25 oC a 150 oC. O coeficiente de expansão térmica linear é medido na direção longitudinal, isto é, ao longo do comprimento das fibras.

A haste compósita também pode exibir um "raio de curvatura" relativamente pequeno, que é o raio mínimo em que uma haste pode ser arqueada sem romper e é medida em relação à curvatura interna de uma haste. Um raio de curvatura menor significa que uma haste é mais flexível e pode ser bobinada sobre uma bonina com menor diâmetro. Esta propriedade também torna mais fácil implementar a haste nos processos que atualmente usam hastes de metal. Devido ao processo melhorado e à haste resultante da presente invenção, os raios de curvatura podem ser alcançados os quais são menores do que cerca de 40 vezes o diâmetro externo de uma haste, em algumas modalidades de cerca de 1 a cerca de 30 vezes o diâmetro externo de uma haste e, em algumas modalidades, de cerca de 2 a cerca de 25 vezes o diâmetro externo de uma haste, determinados em uma temperatura de cerca de 25°C. Por exemplo, o raio de curvatura pode ser menor do que cerca de 15 centímetros, em algumas modalidades de cerca de 0,5 a cerca de 10 centímetros e em algumas modalidades, de cerca de 1 a cerca de 6 centímetros, determinado em uma temperatura de cerca de 25°C.

A haste compósita também tem uma fração nula muito baixa, tal como cerca de 6% ou menos, em algumas modalidades cerca de 3% ou menos, em algumas modalidades cerca de 2% ou menos, em algumas modalidades cerca de 1% ou menos e, em algumas modalidades, cerca de 0,5% ou menos. A fração nula pode ser determinada na maneira descrita acima, tal como usando um teste de "queima de resina" de acordo com ASTM D 2584-08 ou através do uso de equipamento de varredura de tomografia computadorizada (CT), tal como um detector de alta resolução Metrotom 1500 (2k x 2k).

Além dos parâmetros notados acima, a haste compósita também pode exibir um parâmetro de tensão que é cerca de 10 MPa ou mais, em algumas modalidades cerca de 15 MPa ou mais e, em algumas modalidades, de cerca de 20 a cerca de 50 MPa. O método para a determinação do parâmetro de tensão é descrito em mais detalhes na Patente U. S. No. 7.093.416 para Johnson, et al., que é incorporada aqui em sua totalidade por referência a mesma para todos os propósitos. Por exemplo, o arqueamento e a temperatura podem ser medidos e traçados como um gráfico de arqueamento versus temperatura. Uma curva calculada é ajustada aos dados medidos usando um método gráfico Alcoa Sag10 disponível em um programa de software de Alcoa Fujikura Ltd. (Greenville, SC) sob a designação comercial SAG10 (versão 3.0 atualização 3.9.7). O parâmetro de tensão é um parâmetro de ajuste em SAG10 rotulado como a "tensão de alumínio construída", que pode ser alterada para ajustar outros parâmetros se o material que não o alumínio for usado (por exemplo, liga de alumínio) e que ajusta a posição da curva (“knee-point”) no gráfico previsto e também a quantidade de arqueamento no regime de pós-curva em alta temperatura. Uma descrição do parâmetro de tensão também é provida no manual do usuário Alcoa Sag10 (Versão 2.0).

Como sera apreciado, a modalidade descrita acima da haste particular é meramente exemplar dos numerosos projetos que são tornados possíveis pela presente invenção.Dentre os vários projetos de haste possíveis, deve ser entendido que camadas adicionais de material podem ser empregadas adicionalmente àquelas descritas acima. Em certas modalidades, por exemplo, pode ser desejável formar uma haste com múltiplos componentes na qual um componente é formado de um material com resistência mais alta e outro componente é formado de um material com resistência mais baixa. Tais hastes com múltiplos componentes podem ser particularmente úteis no aumento da resistência total sem exigir a necessidade de materiais de alta resistência mais caros para toda a haste. Os componentes de resistência mais baixos e/ou mais altos podem ser formados de tira(s) que contêm fibras contínuas embutidas dentro de uma matriz termoplástica.

Deve ser entendido que a presente invenção não é de forma alguma limitada às modalidades descritas acima.Por exemplo, as hastes podem conter vários outros componentes dependendo da aplicação desejada. Os componentes adicionais podem ser formados de uma tira de fibra contínua, tal como descrito aqui, assim como outros tipos de materiais. Em uma modalidade, por exemplo, a haste pode conter uma camada de fibras descontínuas (por exemplo, fibras curtas, fibras longas, etc.) para aperfeiçoar sua resistência transversal. As fibras descontínuas podem ser orientadas de modo que pelo menos uma porção das fibras é posicionada em um ângulo relativo à direção na qual as fibras contínuas se estendem.

Como indicado acima, as hastes da presente invenção podem ser empregadas como um membro estrutural para uma ampla variedade de aplicações, incluindo em cabos elétricos (por exemplo, cabos de transmissão de alta tensão), umbilicais de energia, amarras, cordas, risers, etc. Por exemplo, a haste da presente invenção pode ser usada na formação de todo ou parte do núcleo de um cabo de transmissão elétrica. Os projetos de cabo de transmissão e os núcleos compósitos exemplares oara tais cabos são descritos em mais detalhes na Patente U. S. No. 7.211.319 para Heil, et al., a qual é incorporada aqui em sua totalidade por referência a mesma para todos os propósitos. Da mesma forma, a haste também pode ser usada seja sozinha ou em feixes em um umbilical de energia. As hastes podem ser localizadas no centro ou distribuídas em torno da periferia do umbilical. Projetos umbilicais de energia exemplares são descritos em mais detalhes, por exemplo, nas Patentes U. S. No. 7.798.234 para Ju, et al. E No. 7.754.966 para Figenschou, as quais são incorporadas aqui em sua totalidade por referência às mesmas para todos os propósitos.

A presente descrição pode ser melhor compreendida com referência aos seguintes exemplos.

EXEMPLO 1

Duas (2) tiras de fibras contínuas foram inicialmente formadas usando um sistema de extrusão como substancialmente descrito acima. Mechas ligeiramente torcidas de fibra de carbono (Toray T700SC, que continham 12.000 filamentos de carbono tendo uma resistência à tração de 4.900 MPa e uma massa por unidade de comprimento de 0,8 grama por metro) foram empregadas para as fibras contínuas com cada tira individual contendo 4 mechas ligeiramente torcidas. O polímero termoplástico usado para impregnar as fibras foi o sulfeto de polifenileno ("PPS") (FORTRON® PPS 205, disponível de Ticona LLC), que tinha um ponto de fusão de cerca de 280°C. Cada tira continha 50 % em peso de fibras de carbono e 50 % em peso de PPS. As tiras tinham uma espessura de cerca de 0,18 milímetro e uma fração nula de menos do que 1,0%. Uma vez formadas, as tiras foram então alimentadas em uma linha de pultrusão que opera em uma velocidade de 6,10 m por minuto (20 pés por minuto). Antes da moldagem, as tiras foram aquecidas dentro de um forno de infravermelho (ajuste de força de 305). As tiras aquecidas foram a seguir fornecidas a um molde de consolidação tendo um canal com formato circular que recebeu as tiras e as comprimiu enquanto formando o formato inicial da haste. Dentro do molde, as tiras permaneciam em uma temperatura de cerca de 177°C. Mediante a consolidação, a pré-forma resultante foi então brevemente resfriada com um anel de ar / dispositivo de túnel que fornecia ar ambiente em uma pressão de 6894,76 Pa (1 psi). A pré-forma foi então passada através de um nip formado entre dois rolos e a seguir para um molde de calibração para a moldagem final. Dentro do molde de calibração, a pré-forma permanecia em uma temperatura de cerca de 140°C. Após sair deste molde, o perfil foi capeado com uma poliéter éter cetona ("PEEK"), que tinha um ponto de fusão de 350°C. A camada de capeamento tinha uma espessura de cerca de 0,1 milímetros. A peça resultante foi então resfriada com uma corrente de ar. A haste resultante tinha uma diâmetro de cerca de 3,5 milímetros e continha 45 % em peso de fibras de carbono, 50 % em peso de PPS e 5 % em peso de material de capeamento.

Para determinar as propriedades de resistência da haste, o teste flexural de três pontos foi realizado de acordo com ASTM D790-10, Procedimento A. O raio de suporte e de ponta foi de 0,64 cm (0,250 polegada), a envergadura do suporte foi de 30 milímetros, o comprimento do espécime foi de 5,08 cm (2 polegadas) e a velocidade do teste foi de 2 milímetros por minuto. O módulo flexural resultante foi de cerca de 31 Gigapascals e a resistência flexural foi de cerca de 410 MPa. A densidade da peça foi de 1,48 g/cm3 e o teor nulo foi menor do que cerca de 3%. Da mesma forma, o raio de curvatura foi de 3,27 centímetros.

EXEMPLO 2

Uma haste foi formada como descrito no Exemplo 1, exceto que nenhum material de capeamento foi empregado. A haste, assim, continha 50 % em peso de fibras de carbono e 50 % em peso de PPS. O teor nulo foi menor do que cerca de 1,5% e o raio de curvatura foi de 3,86 centímetros.

EXEMPLO 3

Duas (2) tiras de fibra contínuas foram formadas inicialmente usando um sistema de extrusão como substancialmente descrito acima. Mechas ligeiramente torcidas de fibra de carbono (Toray T700SC) foram empregadas para as fibras contínuas com cada tira individual contendo 4 mechas ligeiramente torcidas. O polímero termoplástico usado para impregnar as fibras foi FORTRON® PPS 205. Cada tira continha 50 % em peso de fibras de carbono e 50 % em peso de PPS. As tiras tinham uma espessura de cerca de 0,18 milímetro e uma fração nula de menos do que 1,0%. Uma vez formadas, as tiras foram então alimentadas em uma linha de pultrusão que opera em uma velocidade de 6,10 m por minuto (20 pés por minuto). Antes da moldagem, as tiras foram aquecidas dentro de um forno de infravermelho (ajuste de força de 305). As tiras aquecidas foram então fornecidas para um molde de consolidação tendo um canal com formato circular que receberam as tiras e as comprimiram juntas enquanto formando o formato inicial da haste. Dentro do molde, as tiras permaneciam em uma temperatura de cerca de 343°C. Mediante a consolidação, a pré-forma resultante foi a seguir resfriada brevemente com um anel de ar / dispositivo de túnel que forneceu ar ambiente em uma pressão de 6894,76 Pa (1 psi). A pré-forma foi a seguir passada através de um nip formado entre dois rolos e então para um molde de calibração para a moldagem final. Dentro do molde de calibração, a pré-forma permanecia em uma temperatura de cerca de 140°C. Após sair deste molde, o perfil foi capeado com FORTRON® PPS 320, que tinha um ponto de fusão de 280°C. A camada de capeamento tinha uma espessura de cerca de 0,1 milímetro. A peça resultante foi então resfriada com uma corrente de ar. A haste resultante tinha um diâmetro de cerca de 3,5 milímetros e continha 45 % em peso de fibras de carbono, 50 % em peso de PPS e 5 % em peso de material de capeamento.

Para determinar as propriedades de resistência da haste, o teste flexural de três pontos foi realizado de acordo com ASTM D790-10, Procedimento A. O raio de suporte e de ponta foi de 0,64 cm (0,250 polegada), a envergadura do suporte foi de 30 milímetros, o comprimento do espécime foi de 5,08 cm (2 polegadas) e a velocidade de teste foi de 2 milímetros por minuto. O módulo flexural resultante foi de 20,3 Gigapascals e a resistência flexural foi de cerca de 410 MPa. A densidade da peça foi de 1,48 g/cm3 e o teor nulo foi menor do que cerca de 3%. Da mesma forma, o raio de curvatura foi de 4,37 centímetros.

EXEMPLO 4

Duas (2) tiras de fibra contínuas foram formadas inicialmente usando um sistema de extrusão como substancialmente descritos acima. Mechas ligeiramente torcidas de fibra de vidro (TUFRov® 4588 de PPG, que continham filamentos de fibra de vidro E (“E-glass filaments”) tendo uma resistência à tração de 2599 MPa e uma massa por unidade de comprimento de 2,2 gramas por metro) foram empregadas para as fibras contínuas com cada tira individual contendo 2 mechas ligeiramente torcidas. O polímero termoplástico usado para impregnar as fibras foi sulfeto de polifenileno ("PPS") (FORTRON® 205, disponível de Ticona LLC), que tinha um ponto de fusão de cerca de 280°C. Cada tira continha 56 % em peso de fibras de vidro e 44 % em peso de PPS. As tiras tinham uma espesssura de cerca de 0,18 milímetros e uma fração nula de menos do que 1,0%. Uma vez formadas, as tiras foram a seguir alimentadas em uma linha de pultrusão que opera em uma velocidade de 6,10 m por minuto (20 pés por minuto). Antes da moldagem, as tiras foram aquecidas dentro de um forno de infravermelho (ajuste de força de 330). As tiras aquecidas foram então fornecidas para um molde de consolidação tendo um canal com formato circular que recebeu as tiras e as comprimiu juntas enquanto formando o formato inicial da haste. Mediante a consolidação, a pré-forma resultante foi a seguir resfriada brevemente com ar ambiente. A pré-forma foi então passada através de um nip formado entre dois rolos e a seguir para um molde de calibração para a moldagem final. Dentro do molde de calibração, a pré-forma permanecia em uma temperatura de cerca de 275°C. Após sair deste molde, o perfil foi capeado com FORTRON® 205. A camada de capeamento tinha uma espesssura de cerca de 0,1 milímetro. A peça resultante foi então resfriada com uma corrente de ar. A haste resultante tinha um diâmetro de cerca de 3,5 milímetros e continha 50 % em peso de fibras de vidro e 50 % em peso de PPS.

Para determinar as propriedades de resistência da haste, o teste flexural de três pontos foi realizado de acordo com ASTM D790-10, Procedimento A. O raio de suporte e de ponta foi de 0,64 cm (0,250 polegada), a envergadura do suporte foi de 30 milímetros, o comprimento do espécime foi de 5,08 cm (2 polegadas) e a velocidade de teste foi de 2 milímetros por minuto. O módulo flexural resultante foi de cerca de 18 Gigapascals e a resistência flexural foi de cerca de 590 MPa. O teor nulo foi menor do que cerca de 0% e o raio de curvatura foi de 1,87 centímetros.

EXEMPLO 5

Duas (2) tiras de fibra contínuas foram formadas inicialmente usando um sistema de extrusão como substancialmente descrito acima. Mechas ligeiramente torcidas de fibra de vidro (TUFRov® 4588) foram empregadas para as fibras contínuas com cada tira individual contendo 2 mechas ligeiramente torcidas. O polímero termoplástico usado para impregnar as fibras foi de Nylon 66 (PA66), que tinha um ponto de fusão de cerca de 250°C. Cada tira continha 60 % em peso de fibras de vidro e 40 % em peso de Nylon 66. As tiras tinham uma espesssura de cerca de 0,18 milímetro e uma fração nula de menos do que 1,0%. Uma vez formadas, as tiras foram então alimentadas para uma linha de pultrusão que opera em uma velocidade de 3,05 m (10 pés por minuto). Antes da moldagem, as tiras foram aquecidas dentro de um forno de infravermelho (ajuste de força de 320). As tiras aquecidas foram então fornecidas para um molde de consolidação tendo um canal com formato circular que recebeu as tiras e as comprimiu juntas enquanto formando o formato inicial da haste. Mediante a consolidação, a pré-forma resultante foi a seguir resfriada brevemente com ar ambiente. A pré-forma foi então passada através de um nip formado entre dois rolos e a seguir para um molde de calibração para a moldagem final. Dentro do molde de calibração, a pré-forma permanecia em uma temperatura de cerca de 170°C. Após sair deste molde, o perfil foi capeado com Nylon 66. A camada de capeamento tinha uma espesssura de cerca de 0,1 milímetro. A peça resultante foi então resfriada com uma corrente de ar. A haste resultante tinha um diâmetro de cerca de 3,5 milímetros e continha 53 % em peso de fibras de vidro, 40 % em peso de Nylon 66 e 7 % em peso de material de capeamento.

Para determinar as propriedades de resistência da haste, o teste flexural de três pontos foi realizado de acordo com ASTM D790-10, Procedimento A. O raio de suporte e de ponta foi de 0,64 cm (0,250 polegada), a envergadura do suporte foi de 30 milímetros, o comprimento do espécime foi de 5,08 cm (2 polegadas) e a velocidade de teste foi de 2 milímetros por minuto. O módulo flexural resultante foi cerca de 19 Gigapascals e a resistência flexural foi cerca de 549 MPa. O teor nulo foi menor do que cerca de 0% e o raio de curvatura foi de 2,34 centímetros.

EXEMPLO 6

Três (3) lotes de oito (8) hastes foram formados tendo diferentes níveis de fração nula. Para cada haste, duas (2) tiras de fibra contínuas foram formadas inicialmente usando um sistema de extrusão como substancialmente descrito acima. Mechas ligeiramente torcidas de fibra de carbono (Toray T700SC, que continham 12.000 filamentos de carbono tendo uma resistência à tração de 4.900 MPa e uma massa por unidade de comprimento de 0,8 grama por metro) foram empregadas para as fibras contínuas com cada tira individual contendo 4 mechas ligeiramente torcidas. O polímero termoplástico usado para impregnar as fibras foi sulfeto de polifenileno ("PPS") (FORTRON® PPS 205, disponível de Ticona, LLC), que tinha um ponto de fusão de cerca de 280°C. Cada tira continha 50 % em peso de fibras de carbono e 50 % em peso de PPS. As tiras tinham uma espesssura de cerca de 0,18 milímetros e uma fração nula de menos do que 1,0%. Uma vez formadas, as tiras foramentão alimentadas parauma linhade pultrusão queoperaem uma velocidade de 6,10 m por minuto (20 pés porminuto). Antes da moldagem, as tiras foram aquecidas dentro de umforno de infravermelho(ajuste deforça de 305). Astirasaquecidas foram entãofornecidaspara um molde deconsolidação tendo um canal com formato circular que recebeu as tiras e as comprimiu juntas enquanto formando o formato inicial da haste. Dentro do molde, as tiras permaneciam em uma temperatura de cerca de 177°C. Mediante a consolidação, a pré-forma resultante foi a seguir resfriada brevemente com um anel de ar / dispositivo de túnel que fornecia ar ambiente em uma pressão de 6894,76 Pa (1 psi). A pré-forma foi então passada através de um nip formado entre dois rolos e a seguir para um molde de calibração para a moldagem final. Dentro do molde de calibração, a pré-forma permaneciam em uma temperatura de cerca de 140°C. Após sair deste molde, o perfil foi capeado com um poliéter éter cetona ("PEEK"), que tinha um ponto de fusão de 350°C. A camada de capeamento tinha uma espesssura de cerca de 0,1 milímetro. A peça resultante foi então resfriada com uma corrente de ar. A haste resultante tinha um diâmetro de cerca de 3,5 milímetros e continha 45 % em peso de fibras de carbono, 50 % em peso de PPS e 5 % em peso de material de capeamento.

Um primeiro lote de hastes tinha uma fração nula media de 2,78%. Um segundo lote de hastes tinha uma fração nula media de 4,06%. Um terceiro lote de hastes tinha uma fração nula media de 8,74%. A medição da fração nula foi realizada usando varredura de CT. Um detector de alta resolução Metrotom 1500 (2k x 2k) foi usado para escanear os espécimes de haste. A detecção foi feita usando um modo de análise melhorado com um limite de probabilidade baixo.Uma vez que os espécimes foram escaneados quanto à fração nula, o software Volume Graphics foi usado para interpretar os dados das varreduras em 3D e calcular os níveis nulos em cada espécime.

Para determinar a resistência à fadiga flexural e a resistência flexural residual das hastes, o teste de fadiga flexural de três pontos foi realizado de acordo com ASTM D790. A envergadura do suporte foi de 5,59 cm (2,2 polegadas) e o comprimento do espécime foi de 7,62 cm (3 polegadas). Quatro (4) hastes de cada lote foram testadas em um nível de carga de 160 Newtons ("N") e quatro (4) hastes de cada lote foram testadas em um nível de carga de 180 N, respectivamente representando cerca de 50% e 55% da resistência flexural primitiva (estática) das hastes. Cada espécime foi testado em um milhão de ciclos em uma frequência de 10 Hertz (Hz).

Antes e depois do teste de fadiga, para determinar as propriedades de resistência flexural residual e primitiva das hastes, o teste flexural de três pontos foi realizado de acordo com ASTM D790-10, Procedimento A. As resistências flexurais residuais e primitivas médias de cada lote em cada nível de carga foram registradas. A resistência flexural primitiva resultante para o terceiro lote foi de 737,74 MPa (107 ksi) e a resistência flexural residual resultante para o terceiro lote foi de 517,11 MPa (75 ksi) resultando, assim, em uma redução de cerca de 29%. A resistência flexural primitiva resultante para o segundo lote foi de 744,63 MPa (108 ksi) e a resistência flexural residual resultante para o segundo lote foi de 496,42 MPa (72 ksi) resultando, assim, em uma redução de cerca de 33%. A resistência flexural primitiva resultante para o primeiro lote foi de 730,84 MPa (106 ksi) e a resistência flexural residual resultante para o primeiro lote foi de 723,95 MPa (105 ksi)resultando, assim, em uma redução de cerca de 1%.

Estas e outras modificações e variações da presente invenção podem ser praticadas por aqueles versados na técnica, sem se afastar do espírito e escopo da presente invenção. Além disso, deve ser entendido que os apectos de várias modalidades podem ser trocados tanto no todo como em parte. Além disso, aqueles versados na técnica apreciarão o fato de que a descrição anterior é somente a título de exemplo e não pretende limitar a invenção assim descrita mais detalhadamente em tais reivindicações em anexo.

Claims

1.Haste compósita se estendendo em uma direção longitudinal, CARACTERIZADA pelo fato de que a haste contém um núcleo compreendendo uma pluralidade de mechas ligeiramente torcidas impregnadas termoplásticas, as mechas ligeiramente torcidas contendo fibras contínuas orientadas na direção longitudinal e uma matriz termoplástica que engloba as fibras, as fibras tendo uma razão de resistência à tração para massa final por unidade de comprimento maior do que cerca de 1.000 Megapascals por grama por metro, em que as fibras contínuas constituem de cerca de 25 % em peso a cerca de 80 % em peso do núcleo e a matriz termoplástica constitui de cerca de 20 % em peso a cerca de 75 % em peso do núcleo e em que as mechas ligeiramente torcidas são distribuídas geralmente simetricamente cerca de um centro longitudinal do núcleo, em que o núcleo tem uma fração nula de 3% ou menos, e em que a haste tem um módulo flexural mínimo de cerca de 10 Gigapascals, um raio de curvatura menor do que 40 vezes o diâmetro externo da haste, e uma resistência à tração final mínima de 300 Megapascals.

2.Haste compósita, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que as fibras contínuas têm uma razão de resistência à tração final para massa por unidade de comprimento de cerca de 5.500 a cerca de 20.000 Megapascals por grama por metro.

3.Haste compósita, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que as fibras contínuas são fibras de carbono.

4.Haste compósita, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que a matriz termoplástica inclui um sulfeto de poliarileno.

5.Haste compósita, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADA pelo fato de que o sulfeto de poliarileno é sulfeto de polifenileno.

6.Haste compósita, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que as fibras contínuas constituem de cerca de 30 % em peso a cerca de 75 % em peso do núcleo.

7.Haste compósita, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que a haste tem um módulo de elasticidade de tração mínimo de cerca de 50 Gigapascals.

8.Haste compósita, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que a haste tem um raio de curvatura de cerca de 0,5 a cerca de 10 centímetros.

9.Haste compósita, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que o núcleo contém de 4 a 20 mechas ligeiramente torcidas.

10.Haste compósita, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que cada mecha ligeiramente torcida contém de cerca de 1.000 a cerca de 50.000 fibras contínuas individuais.

11.Haste compósita, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que a haste tem uma espessura de cerca de 0,1 a cerca de 50 milímetros.

12.Haste compósita, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que compreende ainda uma camada de capeamento que circunda o núcleo.

13.Haste compósita, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que a haste tem um formato em seção cruzada substancialmente circular .

14.Método para a formação de uma haste compósita se estendendo em uma direção longitudinal, CARACTERIZADO pelo fato de que o método compreende: a impregnação de uma pluralidade de mechas ligeiramente torcidas com uma matriz termoplástica e a consolidação das mechas ligeiramente torcidas para formar uma tira, em que as mechas ligeiramente torcidas compreendem fibras contínuas orientadas na direção longitudinal, as ditas fibras tendo uma razão de resistência à tração para massa final por unidade de comprimento maior do que cerca de 1.000 Megapascals por grama por metro, em que as fibras contínuas constituem de cerca de 25 % em peso a cerca de 80 % em peso da tira e a matriz termoplástica constitui de cerca de 20 % em peso a cerca de 75 % em peso da tira, em que a tira tem uma fração nula de cerca de 3% ou menos;o aquecimento da tira; o arraste da tira aquecida através de pelo menos um molde de formação para comprimir e moldar a tira dentro de uma pré-forma; e o resfriamento da pré-forma para formar a haste, em que a haste tem um módulo flexural mínimo de cerca de 10 Gigapascals, um raio de curvatura menor do que 40 vezes o diâmetro externo da haste, e uma resistência à tração final mínima de 300 Megapascals.

15.Método, de acordo com a reivindicação 14, CARACTERIZADO pelo fato de que as fibras contínuas são fibras de carbono.

16.Método, de acordo com a reivindicação 14, CARACTERIZADO pelo fato de que a matriz termoplástica inclui um sulfeto de poliarileno.

17.Método, de acordo com a reivindicação 14, CARACTERIZADO pelo fato de que as fibras contínuas constituem de cerca de 30 % em peso a cerca de 75 % em peso da tira.

18.Método, de acordo com a reivindicação 14, CARACTERIZADO pelo fato de que a tira tem uma fração nula de cerca de 2% ou menos.

19.Método, de acordo com a reivindicação 14, CARACTERIZADO pelo fato de que de 1 a 15 tiras individuais são empregadas.

20.Método, de acordo com a reivindicação 14, CARACTERIZADO pelo fato de que as tiras são aquecidas dentro de um forno de infravermelho.

21.Método, de acordo com a reivindicação 14, CARACTERIZADO pelo fato de que as mechas ligeiramente torcidas são espaçadas substancialmente equidistantes umas das outras na tira.

22.Método, de acordo com a reivindicação 14, CARACTERIZADO pelo fato de que as mechas ligeiramente torcidas são impregnadas dentro de um dispositivo de extrusão.

23.Método, de acordo com a reivindicação 14, CARACTERIZADO pelo fato de que as mechas ligeiramente torcidas atravessam o dispositivo em um caminho tortuoso.

24.Método, de acordo com a reivindicação 14, CARACTERIZADO pelo fato de que um conjunto de distribuidor fornece a matriz termoplástica para o dispositivo de extrusão, o conjunto de distribuidor compreendendo corredores ramificados através dos quais a matriz termoplástica flui.

25.Método, de acordo com a reivindicação 14, CARACTERIZADO pelo fato de que as mechas ligeiramente torcidas estão sob tensão quando impregnadas com a matriz termoplástica.

26. Método, de acordo com a reivindicação 14,CARACTERIZADO pelo fato de que a tira aquecida é arrastada através de um molde de consolidação e um molde de calibração subsequente para comprimir a tira.

27. Método, de acordo com a reivindicação 14, 10 CARACTERIZADO pelo fato de que a pré-forma é deixada resfriar após sair do molde de consolidação e antes de entrar no molde de calibração.