BR112018013208B1

BR112018013208B1 - Lâmina de material compósito extrudado, painel compósito e processo de manufatura da mesma

Info

Publication number: BR112018013208B1
Application number: BR112018013208-0A
Authority: BR
Inventors: Adriano Odino; Andrea Strignano; Raffaella Giovannini
Original assignee: Renolit Gor S.P.A.
Priority date: 2016-02-05
Filing date: 2017-02-03
Publication date: 2022-12-27
Also published as: MY196722A; WO2017134619A3; KR20180108576A; EP3411221A2; US11141940B2; CN108430748B; MA43970A; WO2017134619A2; CN108430748A; ITUB20160438A1; CA2957839A1; MX2018008001A; WO2017134496A1; RU2714062C1; BR112018013208A2; BR112017021196A2; US20200282619A1; MX2017011977A

Abstract

A invenção se refere a uma lâmina ou painel de material compósito obtida pela extrusão de uma mistura composta por pelo menos um material termoplástico, particularmente da família das poliolefinas, e de fibras minerais dotadas de características dimensionais pré-determinadas (diâmetro e comprimento). O processo de extrusão é efetuado com parâmetros tais que gerem na lâmina uma estrutura tridimensional integrada no material termoplástico.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção diz respeito a uma lâmina de material compósito,um painel compósito e a um processo de manufatura da mesma. FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[002] O termo “compósito” significa um material obtido pela combinação de dois ou mais componentes, também chamados de fases, combinados de acordo com várias proporções e formas, de modo que o produto final tenha estrutura não homogênea e propriedades químicas diferentes daquelas dos constituintes individuais. Uma das fases, chamada matriz, tem forma contínua e atua principalmente para manter a coesão da fase ou fases de reforço, para garantir certa forma da peça bem como para proteger e transmitir de modo uniforme a carga para a outra fase de reforço. Esta última, ao contrário, é composta de um constituinte descontínuo, geralmente feito de fibras ou partículas cuja finalidade é garantir força mecânica e rigidez, a maior parte da carga externa sendo suportada pela mesma.

[003] Em compósitos particulados o reforço é composto de “partículas”, que (ao contrário das fibras) podem ser considerados equiaxiais, ou seja, a razão do diâmetro para comprimento de cada partícula é igual a cerca de 1 (enquanto as fibras são mais desenvolvidas no sentido do comprimento).

[004] Os materiais compósitos com a fase dispersa constituída de fibras exibem forte anisotropia. Essa anisotropia não é encontrada (ou pelo menos é muito menor) em compósitos particulados, desde que as ditas partículas sejam equiaxiais.

[005] A ideia básica dos compósitos é aperfeiçoar os desempenhos dos assim chamados materiais tradicionais, no que diz respeito às propriedades químico-físicas, mecânicas e de baixo peso.

[006] Através da combinação de um material tendo certa propriedade (por exemplo, um polímero) com outro tendo propriedades diferentes (por exemplo, fibras de carbono), é possível obter um material, composto desses dois materiais, que acentua as melhores propriedades dos mesmos. Os materiais compósitos são particularmente interessantes já que eles oferecem combinações de diferentes propriedades que não podem estar presentes de modo simultâneo em materiais convencionais tais como ligas metálicas, cerâmicas e polímeros.

[007] Na indústria automotiva é conhecido usar painéis feitos de material compósito para a manufatura de peças internas de veículos a motor tais como revestimentos, espaços de carga, prateleiras traseiras, etc.

[008] Esses painéis devem exibir resistência mecânica considerável em combinação com bom nível de flexibilidade e o menor peso possível.

[009] Os painéis feitos de material termoplástico com cargas vegetais são um bom meio termo devido a sua moldabilidade, por exemplo, por termoformagem, sua boa resistência mecânica, seu bom comportamento na fratura, em combinação com baixo custo de manufatura. Além disso, as cargas vegetais permitem a produção de painéis muito leves com vantagens óbvias em relação à manipulação e consumo de combustível para os veículos que os transportam.

[0010] O documento EP2247653 descreve uma lâmina de material compósito contendo uma matriz de polipropileno e uma carga composta de fibras vegetais, em particular celulose.

[0011] Os documentos EP0847845, US5185117, WO201156128, WO0211971, US 2006103045 e “Microstructure-based modeling of the creep behaviour of long-fiber-renforced thermoplastics”-Fliegener S. et al- ECCM - vol. 15 -Venice, Italy (26/06/2012) descrevem lâminas ou painéis de material compósito que compreendem um material termoplástico que integra fibras não vegetais tendo comprimento pré-determinado e formando uma estrutura tridimensional fibrosa onde as fibras são emaranhadas entre si.

[0012] Uma alternativa às fibras vegetais é o uso de fibras minerais ou inorgânicas, particularmente fibras de vidro. Esse tipo de fibras é mais resistente, mais rígido, tem alto índice de fusão e é completamente resistente a chamas. Por outro lado, exceto quanto a fibras de metal, elas são muito quebradiças.

[0013] Em particular, as fibras de vidro possuem alta resistência à dobra e alta resistência ao impacto e baixa condutividade térmica e elétrica, junto com densidade relativamente baixa, o que as torna particularmente úteis para uso na indústria automotiva.

[0014] Por outro lado, se elas não estiverem bem integradas na matriz do compósito, o que garante a moldabilidade do mesmo, elas podem ser espalhadas no ambiente e ser perigosas para a saúde, ao contrário das fibras vegetais.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0015] O objetivo da presente invenção é prover uma lâmina ou placa de material compósito com uma matriz polimérica e uma carga de fibras inorgânicas, particularmente fibras de vidro, onde a matriz é capaz de se integrar perfeitamente à carga, incorporando a mesma firmemente no interior da matriz, evitando deste modo a presença de fibras de superfície que possam de descolar da matriz e serem dispersas no ambiente, particularmente em um compartimento veicular.

[0016] A invenção atinge o objetivo provendo uma lâmina de material compósito tendo a característica de ser obtido por extrusão de uma mistura composta de um material termoplástico, particularmente da família das poliolefinas, como por exemplo polietileno, polipropileno, misturas de poliolefinas e similares e de grupos de fibras não vegetais, tipicamente fibras de vidro, tendo comprimento pré-determinado, e onde a extrusão é efetuada sob parâmetros tais que gerem uma estrutura fibrosa tridimensional chamada de “tapete” de fibra onde as fibras estão emaranhadas umas sobre as outras.

[0017] Em particular, esse tapete é composto pela combinação de fibras principalmente organizadas no sentido da extrusão, mas ao mesmo tempo elas exibem um tipo de isotropia nos outros dois sentidos do plano, devido à ação mecânica exercida pela abertura da extrusora e alinhamento dos feixes de fibras individuais.

[0018] A invenção tem por base um efeito técnico inesperado. Como é sabido, é possível produzir lâminas impregnando uma camada pré-formada de fibras de vidro co uma matriz polimérica, por exemplo, polipropileno. As fibras que compõem a camada, orientada ou não conforme um sentido principal, de tecido ou não tecido, podem ser atenuadas pela matriz por revestimento e compressão com uma calandra ou usando técnicas de amolecimento com ciclos a diferentes temperaturas. Os inventores verificaram que é possível obter estruturas de fibras tridimensionais completamente cobertas por uma matriz polimérica através de um processo de extrusão enquanto as dimensões das fibras são mantidas sob controle.

[0019] Em particular, a invenção diz respeito ao uso de fibras com diâmetro na faixa de 5 a 50 micra e comprimento na faixa de 1 a 20mm.

[0020] Em particular, a invenção diz respeito ao uso de fibras com as características descritas no item anterior, agrupadas juntas em feixes de fibras, que são desagregados em unidades individuais, estas sendo orientadas pela formação de uma estrutura tridimensional resultante da ação mecânica exercida inicialmente pelo misturador, depois pelo parafuso ou parafusos da extrusora e depois pelo molde de saída da extrusora.

[0021] O efeito máximo ocorre quando os grupos de fibras têm a forma de cilindros de espessura na faixa de 0,5 a 2 mm, de preferência cerca de 1 mm, e comprimento na faixa de 2 a 20 mm, de preferência da ordem de 2-3 mm. Esse efeito se torna claro se for efetuada calcinação do material compósito usando um forno de mufla. O componente inorgânico compreendendo o assim chamado tapete no material compósito permanece inalterado enquanto a matéria orgânica, por ter sido calcinada, é removida do sistema. Portanto, é possível analisar a proporção e o arranjo da carga inorgânica que foi integrada na matriz polimérica.

[0022] A ação mecânica exercida pela extrusão sobre uma mistura heterogênea composta de grânulos ou pó de um polímero termoplástico e aglomerados de fibras de vidro é capaz de quebrar os grupos de fibra e dispersar os filamentos na matriz polimérica.

[0023] Especificamente, o processo para produzir uma lâmina de material compósito de acordo com a invenção provê a mistura do material termoplástico sob forma de grânulos ou pó com grupos de fibras de comprimento pré-determinado e formar a lâmina por extrusão da mistura através de um molde de extrusão. Mistura e extrusão são efetuadas sob parâmetros tais que gerem uma estrutura de fibra tridimensional chamada tapete, integrada no material termoplástico. É a etapa de mistura que leva à desagregação dos feixes de fibras sem alterar consideravelmente as características tridimensionais da mesma. Na etapa de extrusão as fibras individuais são organizadas para formar o tapete, que por sua vez é completamente impregnado pelo material termoplástico.

[0024] Deve-se notar como as lâminas de acordo com a invenção são completamente recicláveis. Para esta finalidade, de acordo com uma modalidade, o processo provê a etapa de moer preliminarmente as lâminas de compósito de reciclo para obter o material termoplástico e as fibras a serem misturadas. Neste caso uma etapa adicional é provida de modo a adicionar à mistura uma proporção do material obtido por moagem de rebarbas laterais e peças de descarte em geral (desde que elas sejam consistentes uma com a outra no que diz respeito à formulação).

[0025] Se for considerado que o material termoplástico e as fibras estão tipicamente presentes na lâmina substancialmente na mesma proporção, isto é, 50 e 50 em peso, alimentando o misturador com material de reciclo e com material polimérico na mesma proporção, a extrusão final será capaz de manter a mesma proporção dos componentes se a mesma proporção de fibras for adicionada em uma etapa após a etapa de mistura.

[0026] Vantajosamente, as etapas de mistura e extrusão são efetuadas em uma extrusora, particularmente uma extrusora de parafuso duplo, com um molde de saída plano. As fibras se emaranham umas às outras devido à ação mecânica exercida pelos parafusos de mistura e o molde de extrusão, gerando deste modo um emaranhamento de fibras contemporâneo à etapa de mistura/extrusão.

[0027] As placas ou lâminas de acordo com a invenção são particularmente úteis para uso na indústria automotiva. Por exemplo, elas podem ser usadas para formar prateleiras traseiras, espaços de carga, revestimentos para veículos motores, peças da carroceria, cabine de caminhões, spoilers, painéis de controle, painéis para guardar ferramentas, alojamentos para luzes e similares.

[0028] No entanto igualmente outras aplicações são possíveis, particularmente naqueles campos que requerem pequenos encargos e de modo contemporâneo, altos níveis de resistência mecânica especialmente em produtos de baixo custo e produtos de baixo peso.

[0029] Exemplos da presente invenção serão descritos a seguir no presente relatório por meio das seguintes Figuras nas quais:

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0030] A Figura 1 ilustra uma representação gráfica da porcentagem da distribuição da orientação das fibras em relação ao sentido da extrusão que corresponde a um ângulo de 90° e para diferentes valores definidos da temperatura e do comprimento do molde de extrusão de plataforma em um sentido da extrusão.

[0031] A Figura 2 ilustra um gráfico similar ao da Figura 1 mas a medida é limitada a uma camada de cerca de 0,5 mm de profundidade ao longo de cada uma das superfícies opostas da lâmina.

[0032] A Figura 3 é um gráfico que correlaciona a razão do módulo de flexão ao longo do sentido da extrusão e perpendicular ao sentido da extrusão das lâminas de acordo com os exemplos das Figuras 1 e 2 com os valores de pico dos gráficos das Figuras 1 e 2.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0033] A seguir no presente relatório serão descritos alguns Exemplos com auxílio dos desenhos anexos.

[0034] Uma lâmina extrudada compreendendo uma mistura física de resinas de poliolefinas e de fibras de vidro de acordo com a presente invenção foi extrudada. A espessura da lâmina é de 2,2 mm.

[0035] O comprimento do molde no sentido da extrusão foi variado em quatro etapas entre 40 e 100mm.

[0036] A temperatura do material sendo extrudado está entre 200 e 220°C.

[0037] A Figura 1 mostra as curvas de distribuição das fibras em relação a sua orientação em relação ao sentido da extrusão e expressas em porcentagem.

[0038] A medição dos dados foi efetuada através da avaliação das fibras orientadas ao longo de certo ângulo em relação ao sentido da extrusão que coincide com um ângulo de 90° na Figura 1.

[0039] O máximo ângulo de orientação das fibras é 0° e 180° que corresponde a uma orientação das fibras perpendicular ao sentido da extrusão e nos dois sentidos a partir do sentido da extrusão.

[0040] A medição foi efetuada com auxílio de um tomógrafo de RX que foi deslocado no modo angular cada vez de 0.5° em relação a um centro de rotação pendendo sobre um eixo orientado no sentido da extrusão.

[0041] A cada ângulo de aquisição foi determinada a porcentagem correspondente de fibras orientadas ao longo do dito ângulo.

[0042] As curvas foram recolocadas em escala a fim de que sua integral entre 0° e 180° corresponda a 100% das fibras compreendidas na lâmina.

[0043] As diferentes curvas são relativas ao comprimento diverso do molde de extrusão a partir de 30 cm até 100 cm.

[0044] As quatro curvas são identificadas por símbolos e por um nome 2141PDC, 2141PSS, 2141PSC, 2141PDD.

[0045] Tal como se torna evidente a partir das curvas pela variação do comprimento do molde, a distribuição das fibras se torna mais e mais não isotrópica. A curva definida como 2141PDC é a mais plana. Isto significa que as fibras são orientadas de modo isotrópico em relação ao sentido da extrusão.

[0046] Isto tem um efeito sobre os valores da razão do módulo de flexão no sentido longitudinal e transversal em relação ao sentido da extrusão, onde este sentido é paralelo ao sentido longitudinal.

[0047] A razão das distribuições no máximo da curva para o mínimo da curva relativa ao Exemplo 2141PDC é de cerca de 1,2.

[0048] Pela variação do comprimento do molde um número de fibras mais elevado é alinhado no sentido paralelo ao sentido da extrusão. A curva relativa ao Exemplo 2141PDD mostra maior dinâmica em escala e indica razão das distribuições no máximo da curva para o mínimo da curva de cerca de 5.7:1.

[0049] Isto significa que neste caso uma maior porcentagem de fibras está orientada em um sentido paralelo ao sentido da extrusão do que aquelas orientadas transversalmente à mesma. Neste caso a razão entre módulo de flexão longitudinal e transversal tal como definido acima é diferente e mais elevada de modo que a lâmina tem mais resistência para trações de flexão no sentido longitudinal.

[0050] A Figura 2 mostra o que acontece para a distribuição da orientação das fibras em relação ao sentido da extrusão em uma camada delgada superficial de cerca de 0,5 mm de profundidade a partir da superfície da lâmina.

[0051] Novamente as medições são tomadas em relação ao sentido da extrusão correspondente a um ângulo de 90° no gráfico e usando o mesmo tomógrafo de RX da Figura 1.

[0052] Quatro lâminas obtidas com quatro comprimentos de molde foram escaneadas como explicado acima. As quatro lâminas e as respectivas curvas estão identificadas tal como acima.

[0053] Ao ler as curvas se torna evidente que variar o comprimento do molde tem o efeito de não somente achatar a curva, significando ter grau de isotropia ou anisotropia mais elevado para a distribuição da orientação das fibras, mas é igualmente variada a largura angular da possível orientação das fibras centradas ao longo do sentido da extrusão (90°). A curva 2141PDC é mais achatada e a maior parte das fibras será distribuída de modo isotrópico ao longo de sentidos compreendidos entre cerca de -50° e +50° em relação ao sentido da extrusão (90°). A curva 2141PDD mostra uma distribuição mais anisotrópica das fibras nas diferentes orientações mas a largura angular das possíveis orientações se reduz a cerca de -30° a + 30° em relação ao sentido da extrusão. Os Exemplos 2141 PSC e PSS mostram comportamento intermediário entre os Exemplos 2141PDC e 2141PDD.

[0054] Embora os Exemplos acima estejam limitados a uma variação no comprimento do molde, experimentos mostraram igualmente uma influência similar na distribuição das fibras sobre diferentes orientações angulares em relação ao sentido da extrusão determinado pela variação da Temperatura da mistura sendo extrudada.

[0055] A Figura 3 mostra a razão do módulo de flexão longitudinal para o módulo de flexão transversal em lâminas de acordo com a presente invenção mostrando diferentes distribuições das fibras ao longo de diferentes orientações em relação ao sentido da extrusão.

[0056] Como já indicado acima no presente relatório, o termo sentido longitudinal significa no presente contexto, paralelo ao sentido da extrusão, enquanto o termo sentido transversal significa um sentido perpendicular ao sentido da extrusão.

[0057] Dois Exemplos adicionais foram somados àquele indicado por 2141 e discutido em relação aos quatro casos da Figura 1 e 2.

[0058] A partir da descrição acima se torna evidente que a presente invenção permite o aperfeiçoamento das propriedades mecânicas da lâmina em relação a dois diferentes sentidos (longitudinal e transversal) paralelo e perpendicular ao sentido de extrusão da lâmina. Isto é realizado sem a necessidade de modificar a composição do material laminado ou a espessura da lâmina mas unicamente definindo diferentes distribuições das fibras em diferentes orientações em relação ao sentido da extrusão pela variação somente de alguns parâmetros do processo de extrusão e particularmente o comprimento do molde de extrusão e/ou a temperatura da massa do material a ser extrudado.

Claims

1. Processo para a manufatura de uma lâmina de material compósito, compreendendo as seguintes etapas: prover um material termoplástico, particularmente da família das poliolefinas, sob forma de grânulos ou pó; prover fibras não vegetais, particularmente fibras de vidro, em forma de grupos ou feixes de fibras dotados de comprimento, largura e espessura pré-determinados; misturar dito material termoplástico e ditas fibras não vegetais e desagregar os feixes de fibras durante a mistura; alimentar dita mistura a uma extrusora, formando uma lâmina por extrusão da mistura através de um molde de extrusão da extrusora, dita lâmina compreendendo: i) uma estrutura de fibras tridimensionais; 2) as fibras sendo emaranhadas sobre si mesmas, dita estrutura sendo integrada ao material plástico; e a porcentagem de distribuição da orientação das fibras versus o sentido da extrusão ser definido entre uma razão de 1:1 até uma razão de 6:1 entre a porcentagem das fibras orientadas no sentido da extrusão e a razão de fibras dirigidas para um sentido perpendicular à direção da extrusão, dito processo sendo caracterizado por: gerar feixes de fibras a partir de feixes individuais os feixes de fibras sendo compostos de grupos de fibras individuais aderentes uns aos outros, as fibras individuais sendo de comprimento entre 2 e 20 mm e os feixes tendo a forma de bastão ou cilindros com espessura na faixa de 0,5 a 2 mm; a definição da porcentagem da orientação das fibras em relação ao sentido da extrusão ser obtida variando alternativamente ou em combinação as temperaturas da mistura do dito material termoplástico e ditas fibras não vegetais e o comprimento da placa de molde entre 30cm e 150cm; e a maior parte das fibras ser distribuída de modo isotrópico ao longo de sentidos compreendidos entre cerca de -50° e +50° em relação ao sentido da extrusão (90°), até cerca de -30° a + 30° em relação ao sentido da extrusão.

2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por as fibras terem comprimento de 2-3 mm, os feixes terem a forma de bastões ou cilindros com espessura de cerca de 1 mm e o comprimento da placa de molde variar entre 40 e 100 cm.

3. Processo de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizado por a porcentagem de distribuição da orientação das fibras entre o sentido perpendicular ao sentido de extrusão e um sentido paralelo a dito sentido de extrusão variar continuamente de acordo com uma função polinomial de grau dois ou mais.

4. Processo de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por prover a etapa de moer as lâminas de compósito e adicionar material reciclado ao material termoplástico e fibras em proporção de modo a manter a mesma formulação de partida.

5. Processo de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por as etapas de mistura e extrusão serem efetuadas em uma extrusora, particularmente uma extrusora de parafuso duplo, com um molde de saída plano, onde as fibras se emaranham umas nas outras devido à ação mecânica exercida pelos parafusos de mistura e pelo molde, gerando assim uma estrutura tridimensional das fibras de modo contemporâneo com a etapa de mistura/extrusão.

6. Processo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por a desagregação do feixe de fibras ser obtida pela ação mecânica exercida pelos parafusos de mistura enquanto o emaranhamento e a distribuição da orientação das fibras é gerado pela ação mecânica exercida pela abertura do molde de extrusão e alinhamento da fibra individual dos feixes.

7. Lâmina de material compósito extrudado, compreendendo um material termoplástico, particularmente da família das poliolefinas, integrando fibras não vegetais sob forma de grupos ou feixes de fibras de comprimento pré- determinado e formando uma estrutura tridimensional de fibras onde as fibras são emaranhadas sobre si mesmas, as fibras não vegetais de distribuição tridimensional exibindo uma porcentagem de distribuição de orientação das fibras relativamente ao sentido de extrusão entre uma razão de 1:1 até uma razão de 6:1 entre a porcentagem das fibras orientadas no sentido da extrusão e a razão das fibras dirigidas para o sentido perpendicular ao sentido da extrusão, dita lâmina sendo caracterizada por ditos grupos ou feixes de fibras não-vegetais serem compostos por fibras individuais aderentes umas às outras, as fibras individuais tendo comprimento entre 2 e 20 mm e os feixes tendo forma de bastões ou cilindros com espessura na faixa de 0,5 a 2 mm; e a maior parte das fibras ser distribuída de modo isotrópico ao longo de sentidos compreendidos entre cerca de -50° e +50° em relação ao sentido da extrusão (90°), até cerca de -30° a + 30° em relação ao sentido da extrusão.

8. Lâmina de material compósito extrudado de acordo com a reivindicação 7, caracterizada por dita estrutura tridimensional da fibra ser composta pela combinação de fibras principalmente organizadas no sentido da extrusão, e em parte, ao mesmo tempo, exibindo anisotropia nos outros dois sentidos do plano, devido à ação mecânica exercida pela abertura da extrusão e alinhamento dos feixes de fibras individuais.

9. Lâmina de material compósito extrudado de acordo com reivindicação 7, caracterizada por o material termoplástico pertencer ao grupo que compreende polietileno, polipropileno ou misturas de poliolefinas.

10. Lâmina de material compósito extrudado de acordo com reivindicação 7, caracterizada por as fibras não vegetais compreenderem fibras de vidro.

11. Lâmina de material compósito extrudado de acordo com as reivindicações 7, 8, 9 ou 10, caracterizada por o material termoplástico e as fibras estarem presentes substancialmente na mesma proporção.

12. Painel compósito, particularmente para formar prateleiras traseiras, caracterizado por compreender uma ou mais lâminas de acordo com as reivindicações 7, 8, 9, 10 ou 11.