BR112019012021A2 - estrutura compósita e método para fabricar a estrutura compósita - Google Patents

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BR112019012021A2
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Honma Masato
Takebe Yoshiki
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Toray Industries
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Abstract

o objetivo da presente invenção é fornecer uma estrutura compósita que seja excelente em termos de rigidez de dobragem, leveza de peso e moldabilidade de forma, e um método para fabricar a estrutura compósita. nesta estrutura compósita, um corpo multicamadas tendo uma pluralidade de camadas compostas por segundas fibras de reforço e uma segunda resina é disposta sobre pelo menos uma superfície de uma estrutura composta de primeiras fibras de reforço e uma primeira resina. as primeiras fibras de reforço são fibras não contínuas e um ângulo médio de orientação das fibras das primeiras fibras de reforço na direção da espessura situa-se no intervalo de 5-60°. as segundas fibras de reforço são fibras não contínuas e um ângulo médio de orientação das fibras das segundas fibras de reforço na direção da espessura situa-se na faixa de 0-5°. a densidade da estrutura situa-se no intervalo de 0,01-1 g/ cm3. a quantidade de variação no teor em volume das fibras de reforço no corpo multicamada situa-se no intervalo de 0-10%. estrutura compósita, tem uma parte saliente sobre uma superfície do corpo multicamada no lado oposto a uma superfície do corpo multicamada que contata com a estrutura.

Description

“ESTRUTURA COMPÓSITA E MÉTODO PARA FABRICAR A ESTRUTURA COMPÓSITA”
Campo Técnico [001] A presente invenção refere-se a uma estrutura compósita que inclui uma estrutura que contém fibras de reforço e resinas e um laminado que está disposto em pelo menos uma superfície da estrutura e tem uma pluralidade de camadas contendo fibras de reforço e resina, e refere-se a um método para a fabricação de estrutura compósita.
Antecedentes da Invenção [002] Recentemente, a rigidez e a leveza melhoradas são cada vez mais exigidas de produtos industriais como um automóvel, uma aeronave e um produto esportivo no mercado ano após ano. A fim de atender a tal exigência, o plástico reforçado com fibra, que possui excelente rigidez e leveza, está sendo amplamente utilizado para diversos fins industriais. Especificamente, a fim de satisfazer a leveza e a rigidez, estudou-se o uso de um substrato leve reforçado com fibra como material de núcleo de uma estrutura em sanduíche (ver Documento de Patente 1). Por outro lado, como uma técnica que envolve um laminado plástico reforçado com fibra formado em consideração à moldagem de forma, uma técnica divulgada é dispor de um pré-impregnado formado por fibras de reforço contínuas e resina sobre uma superfície de um material de folha de resina tendo um enchimento nele misturado (ver Documento de Patente 2). Além disso, como uma técnica de melhorar a moldabilidade em uma pluralidade de formas, é revelado um substrato laminado obtido por laminação de um produto em forma de folha com espaços vazios em pelo menos uma superfície de um pré-impregnado contendo fibras de reforço e termoplástico (ver Documento de Patente 3).
Documentos do Estado da Técnica Documentos de Patente
Documento de Patente 1: WO 2015/029634
Petição 870190054190, de 12/06/2019, pág. 126/182
2/52
Documento de Patente 2: WO 2015/083707
Documento de Patente 3: WO 2015/083820
Descrição Resumida da Invenção Problemas a Serem Resolvidos pela Invenção [003] O método descrito no Documento de Patente 1, no entanto, requer a consideração da moldabilidade de forma de um material de revestimento para formar formas plurais complicadas para a fabricação de vários produtos. O método descrito no Documento de Patente 2 é uma técnica de proporcionar, sobre o pré-impregnado, um corte que causa um fluxo do material de folha de resina para moldar em uma etapa de moldagem. A folha de resina, no entanto, requer a mistura de uma carga inorgânica de alta densidade para assegurar propriedades mecânicas e, portanto, não contribui para a redução do peso. Além disso, o método descrito no Documento de Patente 3 elimina espaços vazios na moldagem do substrato laminado em um artigo moldado, alcançando assim a não redução em peso.
[004] Nas circunstâncias descritas acima, uma necessidade urgente é fornecer uma estrutura compósita que satisfaça a rigidez e a leveza e também tenha uma excelente moldagem de forma em consideração à produção. Assim, a presente invenção foi feita em vista dos problemas acima, e um objetivo da presente invenção é fornecer uma estrutura compósita tendo excelente rigidez à flexão, leveza e moldagem de forma, e um método para fabricar a estrutura compósita.
Soluções para os Problemas [005] A presente invenção que resolve os problemas acima é a seguinte.
[006] Uma estrutura compósita que inclui uma estrutura que contém primeiras fibras de reforço e primeira resina e um laminado que é disposto sobre pelo menos uma superfície da estrutura e tem uma pluralidade
Petição 870190054190, de 12/06/2019, pág. 127/182
3/52 de camadas contendo segundas fibras de reforço e segunda resina, com a estrutura e o laminado integrados, as primeiras fibras de reforço sendo fibras descontínuas e tendo um ângulo de orientação médio das fibras em relação à espessura na faixa de 5 a 60°, as segundas fibras de reforço sendo fibras descontínuas e tendo um ângulo médio de orientação da fibra em termos de espessura na faixa de 0 a 5o, a estrutura tendo uma densidade na faixa de 0,01 a 1 g/ cm3, o laminado tendo uma variação no teor em volume das segundas fibras de reforço em uma faixa de 0 a 10%, e a estrutura compósita tendo uma porção saliente sobre uma superfície do laminado oposta à uma superfície do laminado em contato com a estrutura.
Efeitos da Invenção [007] De acordo com a presente invenção, é possível fornecer uma estrutura compósita tendo excelente rigidez, leveza e moldagem de forma, e um método para fabricar a estrutura compósita.
Breve Descrição Dos Desenhos [008] A Figura 1 é uma vista esquemática que mostra uma configuração em corte de uma estrutura compósita de acordo com uma forma de realização da presente invenção.
[009] A Figura 2 é uma vista em perspectiva de uma estrutura compósita de acordo com um exemplo modificado 1 da forma de realização da presente invenção.
[0010] A Figura 3 é uma vista em perspectiva de uma estrutura compósita de acordo com um exemplo modificado 2 da forma de realização da presente invenção.
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4/52 [0011] A Figura 4 são vistas esquemáticas mostrando uma configuração em corte em relação à espessura exemplificativa de uma estrutura compósita de acordo com a presente invenção.
Descrição Detalhada da Invenção [0012] A seguir, é descrita uma estrutura compósita e um método para fabricar a estrutura compósita de acordo com a presente invenção.
[0013] A presente invenção é uma estrutura compósita incluindo uma estrutura que contém primeiras fibras de reforço e primeira resina e um laminado que é disposto sobre pelo menos uma superfície da estrutura e tem uma pluralidade de camadas contendo segundas fibras de reforço e segunda resina, com a estrutura e o laminado integrados.
[0014] A presente invenção não é particularmente limitada em termos da relação de disposição entre o laminado e a estrutura na estrutura compósita desde que o laminado esteja disposto sobre pelo menos uma superfície da estrutura. Geralmente, é possível empregar uma estrutura de canapé alcançada pela disposição de um laminado sobre um lado da superfície de uma estrutura ou de uma estrutura em sanduíche que é uma estrutura alcançada pela formação de sanduíche de uma estrutura com laminados. A estrutura em sanduíche é preferível do ponto de vista da retenção de propriedades mecânicas, e a estrutura em canapé é preferível do ponto de vista da obtenção de leveza, assegurando propriedades mecânicas mínimas.
[0015] A estrutura compósita tem uma porção saliente sobre uma superfície oposta de um laminado a partir da superfície do laminado em contato com a estrutura, com a porção saliente se projetando da superfície oposta do laminado. A porção saliente refere-se a uma porção saliente em uma direção fora do plano a partir de uma porção de superfície plana ou curva da estrutura compósita. A disposição da porção saliente no laminado permite assegurar as propriedades mecânicas e a expansão do desenho da estrutura na produção.
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Sem a porção saliente, isto é, a estrutura compósita apenas formada por uma forma de folha ou uma forma semiesférica tem limitação na concepção em termos de rigidez à flexão.
[0016] A porção saliente é preferencialmente, uma nervura e/ ou uma protuberância de pontos de vista de moldabilidade da forma da estrutura compósita e propriedades mecânicas da estrutura compósita que foi moldada em uma forma. O fornecimento de uma nervura e ou uma protuberância na estrutura compósita é preferível porque é capaz de conferir um efeito de melhoria da rigidez dependente da forma à rigidez à flexão. Isto é, é possível fazer com que a estrutura compósita exerça rigidez à flexão maior que a rigidez à flexão derivada da estrutura e do laminado.
[0017] A Figura 1 é uma vista esquemática que mostra uma configuração em corte de uma estrutura compósita (1) de acordo com uma forma de realização da presente invenção. A estrutura compósita (1) inclui uma estrutura (5) que contém primeira resina (2), primeiras fibras de reforço (3) e espaços vazios (4), laminados (6-1 e 6-2) que estão dispostos em um lado frontal e um lado traseiro da estrutura (5), respectivamente, e uma nervura (7) que é fornecida sobre uma superfície plana (f1) oposta a uma superfície do laminado frontal (6-1) em contato com a estrutura (5) e se projeta da superfície plana (f1). A nervura (7) corresponde à porção saliente na presente invenção. A Figura 1 não mostra a segunda resina e as segundas fibras de reforço contidas nos laminados (6-1 e 6-2). A nervura (7) é fornecida em uma porção central da superfície plana (f1) ao longo de toda a distância longitudinal (de uma extremidade à outra extremidade) do laminado (6-1). A nervura, no entanto, pode ser fornecida apenas em uma porção de comprimento. A nervura (7) é linear, mas não está limitada a esta forma, e a nervura pode ser em forma de ziguezague ou em forma de onda. Além disso, uma pluralidade de nervuras (7) pode ser fornecida em paralelo ou a nervura também pode ser fornecida em
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6/52 uma forma de rede. Além disso, quando a estrutura compósita é semiesférica, é possível fornecer a nervura em uma forma radial que se estende do centro da semiesfera.
[0018] A Figura 2 é uma vista em perspectiva de uma estrutura compósita (1A) de acordo com um exemplo modificado 1 da forma de realização da presente invenção. Na estrutura compósita (1 A), os laminados (61A e 6-2) estão dispostos sobre um lado frontal e um lado traseiro da estrutura (5), respectivamente, e uma pluralidade de saliências (7A) são fornecidas na superfície plana (f1) oposta a uma superfície do laminado do lado frontal (6-1 A) em contato com a estrutura (5) e se projeta da superfície plana (f1). As protuberâncias (7A) correspondem à porção saliente. As saliências (7A) são colunares, mas não estão limitadas a esta forma, e as protuberâncias podem estar em forma de coluna prismática, tal como uma forma de coluna hexagonal e podem ser ocas.
[0019] A Figura 3 é uma vista em perspectiva de uma estrutura compósita (1B) de acordo com um exemplo modificado 2 da forma de realização da presente invenção. Na estrutura compósita (1B), os laminados (61B e 6-2) estão dispostos em um lado frontal e em um lado traseiro da estrutura (5B), respectivamente, e uma porção saliente (7B) é formada sobre a superfície plana (f1) oposta a uma superfície do laminado do lado frontal (6-1B) em contato com a estrutura (5B). A porção saliente (7B) é formada por flexões (8a, 8b, 8c e 8d) flexionadas em um ângulo quase reto. No exemplo modificado 2, as flexões são flexionadas em um ângulo quase reto, permitindo que a porção saliente se projete para fora a partir do plano do laminado. O ângulo de flexão, no entanto, pode ser um ângulo agudo ou um ângulo obtuso e a direção da flexão pode estar voltada para o interior do laminado. A porção saliente que é retangular como mostrada na Figura 3 também pode ser em forma de chapéu ou em forma de folha corrugada. A nervura, as protuberâncias e a porção
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7/52 saliente funcionam como, por exemplo, uma peça de reforço e também correspondem a um local para armazenar ou fixar componentes funcionais, como um parafuso.
[0020] Na presente invenção, 80% em volume ou mais e 100% em volume ou menos da porção saliente contêm, de preferência, o laminado. A porção saliente contendo o laminado em uma quantidade de 80% em volume ou mais e 100% em volume ou menos permite o uso preferível das propriedades mecânicas, particularmente o módulo de flexão que contribui para a rigidez à flexão. Do ponto de vista acima, a porção saliente tem um teor em volume do laminado de ainda mais preferencialmente 90% em volume ou mais e 100% em volume ou menos, com particular preferência de 100% em volume.
[0021] A estrutura compósita de acordo com a presente invenção tem preferencialmente uma relação de área (As)/ (Ap) em uma faixa de mais de 1 e 2,5 ou menos entre uma área projetada (Ap) de uma superfície (referida como um plano de projeção) tendo a porção saliente da estrutura compósita e uma área de levantamento real do plano de projeção (As), de um ponto de vista de fácil produção da estrutura compósita e de um ponto de vista de obter um valor suficiente para a rigidez à flexão da estrutura compósita. Por exemplo, na estrutura compósita (1A) da Figura 2, a área projetada (Ap) é a área da superfície plana (f1) do laminado (6-1 A), e a área de levantamento real (As) é a soma de um total da área das superfícies laterais das protuberâncias (7A) e a área da superfície plana (f1) do laminado (6-1 A). A estrutura compósita que tem uma relação (As)/ (Ap) de mais de 1 é preferível porque sugere a sua capacidade de produzir a porção saliente diferente da forma de folha e assim torna possível alargar a faixa de concepção do produto. Do ponto de vista acima, a relação (As)/ (Ap) é mais preferencialmente em uma faixa de mais de 1 e 1,5 ou menos. Com a relação (As)/ (Ap) definida no intervalo de mais de 1 e
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2,5 ou menos, a estrutura compósita incluindo o laminado e a estrutura tem um efeito notável de ter um elevado desempenho na conformação.
[0022] Além disso, com o comprimento de fibra médio em massa das segundas fibras de reforço contidas no laminado definido como Ls e o comprimento de fibra médio em massa das primeiras fibras de reforço contidas na estrutura definida como Lc, a estrutura compósita tem preferencial mente uma relação Ls/ Lc em uma faixa de 1 a 50 pela sua excelente moldagem de forma. A estrutura compósita que tem a relação em tal faixa não tem grande diferença no comprimento entre as segundas fibras de reforço no laminado e as primeiras fibras de reforço na estrutura para permitir que o laminado siga a forma de um produto. Com a relação Ls/ Lc estabelecida na faixa acima, quando as segundas fibras de reforço no laminado são, em conjunto com a segunda resina, deformadas em uma forma da porção saliente, é possível reduzir a inibição da deformação do laminado pelas primeiras fibras de reforço na estrutura. Isto é, é possível impedir que a estrutura empurre para fora o laminado que se supõe estar disposto na porção saliente e entrar na porção saliente (por exemplo, uma porção de forma retangular). Do ponto de vista acima, a relação Ls/ Lc é preferencialmente de 1 a 30, particularmente preferencialmente de 1 a 15.
Laminado [0023] O laminado incluído na estrutura compósita de acordo com a presente invenção tem uma pluralidade de camadas contendo as segundas fibras de reforço e a segunda resina. O número de camadas no laminado não é particularmente limitado desde que seja plural, ou dois ou mais. Um laminado tendo apenas uma camada é insuficiente na moldabilidade e tem dificuldade em formar uma forma desejada quando a estrutura compósita é produzida, de modo que o número de camadas no laminado seja plural.
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9/52 [0024] O número de camadas no laminado não é particularmente limitado desde que sejam duas ou mais. As camadas no laminado, no entanto, são de preferência laminadas quase isotropicamente a partir de um ponto de vista de homogeneização do módulo de flexão que contribui para a rigidez à flexão. Especificamente, para obter uma rigidez à flexão alta de maneira homogênea, as camadas no laminado preferencialmente obtêm laminação cruzada com uma unidade de [0/90] ou laminação isotrópica com uma unidade de [+ 45/ 0/ -45/ 90] ou [0/ ± 60], [0025] As segundas fibras de reforço do laminado incluídas na estrutura compósita de acordo com a presente invenção são fibras descontínuas e têm um ângulo médio de orientação da fibra em termos de espessura em uma faixa de 0o a 5o na camada mais próxima da estrutura. As segundas fibras de reforço que são fibras descontínuas facilitam a formação do laminado em uma forma complicada quando é aplicada uma força externa ao laminado para moldagem. Além disso, as segundas fibras de reforço que têm um ângulo médio de orientação da fibra em termos de espessura na faixa de 0o a 5o na camada mais próxima da estrutura fazem com que o próprio laminado tenha excelentes propriedades mecânicas, particularmente uma propriedade de flexão. As segundas fibras de reforço que têm um ângulo médio de orientação da fibra em termos de espessura de mais de 5o são orientadas em demasia de espessura para satisfazer a propriedade de flexão em alguns casos. As segundas fibras de reforço têm, de preferência, um ângulo médio de orientação da fibra de 3o ou menos na camada mais próxima da estrutura, do ponto de vista de satisfação adicional das propriedades mecânicas.
[0026] Aqui, é possível obter o ângulo médio de orientação da fibra em termos de espessura das segundas fibras de reforço na camada mais próxima da estrutura obtendo os ângulos de orientação das segundas fibras de reforço na camada mais próxima da estrutura na direção de corte do laminado
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10/52 (direção da espessura). O ângulo médio de orientação da fibra é o grau de inclinação em relação à direção de corte do laminado, em outras palavras, o grau de inclinação das fibras de reforço em relação à direção da espessura do laminado. As fibras de reforço que têm um valor maior para o ângulo médio de orientação da fibra sugerem seu estado de inclinação mais próximo da vertical ao longo da direção da espessura, e o valor é dado em uma faixa de 0o ou mais e 90° ou menos. Isto é, as segundas fibras de reforço que têm um ângulo médio de orientação da fibra em termos de espessura de 0o a 5o na camada mais próxima da estrutura são capazes de exercer mais eficazmente uma função de reforço no laminado. As segundas fibras de reforço têm um ângulo médio de orientação da fibra em termos de espessura de 5o ou menos na camada mais próxima da estrutura, tendo em vista o esforço da rigidez à flexão quando formadas no laminado. As segundas fibras de reforço têm, de um modo mais preferido, um ângulo médio de orientação da fibra em termos de espessura de 3o ou menos.
[0027] Na presente invenção, o laminado integrado com a estrutura para formar a estrutura compósita tem uma variação no teor em volume das segundas fibras de reforço em uma faixa de 0 a 10%. Esta configuração homogeneiza as propriedades mecânicas representadas pelo módulo de flexão. O laminado tendo uma variação no teor em volume das segundas fibras de reforço de 0 a 10% sugere o seu estado de ser pequeno na variabilidade do teor em volume das segundas fibras de reforço, dependendo da localização medida quando formado sobre a estrutura compósita. Em outras palavras, tal laminado mostra um resultado preferível para a fácil concepção de um produto final e estabilidade da forma. Do ponto de vista acima, o laminado tem uma variação no teor em volume das segundas fibras de reforço de preferência de 5% ou menos, mais preferivelmente 0%.
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11/52 [0028] Aqui, é possível obter a variação no teor em volume das segundas fibras de reforço por um método conhecido. Por exemplo, a densidade do laminado extraído da estrutura compósita é medida antecipadamente por um método de substituição de água, um coeficiente de variação (valor de CV (%))como um indicador da variabilidade que é calculado a partir de um valor médio de conteúdos em volume medidos, o número de peças medidas e um desvio padrão, e o coeficiente de variação é aplicável como a variação no teor em volume.
[0029] Cada camada no laminado da presente invenção tem substancialmente todas as suas segundas fibras de reforço divididas por um corte. As segundas fibras de reforço divididas pelo corte têm, de preferência, um comprimento de fibra médio em massa Ls em uma faixa de 10 a 100 mm. A divisão das segundas fibras de reforço pelo corte facilita a deformação das segundas fibras de reforço juntamente com a segunda resina no laminado quando a estrutura compósita é obtida, para melhorar a moldabilidade. Cada camada do laminado é preferencialmente obtida por um corte em um préimpregnado unidirecional formado pelas segundas fibras de reforço unidirecionalmente dispostas e a segunda resina ou em um pré-impregnado de tecido tecido formado por teia e trama, para exercer uma excelente rigidez à flexão e um excelente efeito para variação no teor em volume do laminado na porção saliente e para a moldabilidade do laminado na porção saliente.
[0030] A frase “substancialmente todas as suas segundas fibras de reforço divididas por um corte” indica que, no que diz respeito às segundas fibras de reforço em cada camada incluída no laminado, as segundas fibras de reforço não divididas pelo corte têm uma proporção de área inferior a 5% na área representada pela camada.
[0031] As segundas fibras de reforço divididas pelo corte têm um comprimento de fibra médio em massa Ls, preferivelmente em uma faixa de 10
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12/52 a 100 mm em termos de equilíbrio entre a moldabilidade e as propriedades mecânicas, ainda mais preferencialmente em uma faixa de 20 a 60 mm. O laminado às vezes contém uma segunda fibra de reforço mais curta do que o comprimento de fibra médio em massa Ls. O laminado, no entanto, é mais preferível, dado que o número de segundas fibras de reforço com um comprimento inferior a 10 mm ou superior a 100 mm é pequeno e as segundas fibras de reforço tendo um comprimento inferior a 10 mm ou superior a 100 mm, preferencialmente, têm uma proporção de área inferior a 5% na área representada pela camada contendo as segundas fibras de reforço.
[0032] Cada camada que forma o laminado tem, de preferência, uma espessura na faixa de 30 a 300 pm. Cada camada no laminado da presente invenção tem um corte, de modo que quando a camada a ser dividida tem uma grande espessura, a produtividade tende a ser diminuída. Portanto, é preferível definir a espessura de cada camada em 300 pm ou menos. Por outro lado, cada camada tendo uma espessura inferior a 30 pm não causa problemas, mas a fabricação estável de camadas muito finas é bastante difícil. Portanto, do ponto de vista da produtividade, cada camada tem, de preferência, uma espessura de 30 pm ou mais. De um ponto de vista de produtividade, cada camada preferencialmente tem uma espessura de 50 a 150 pm.
[0033] O laminado da presente invenção é, como descrito acima, um laminado que tem uma pluralidade de camadas contendo as segundas fibras de reforço e a segunda resina. O laminado preferencialmente tem, por sua excelente rigidez à flexão, um ângulo na faixa de 4o ou mais e 90° ou menos entre a direção de orientação das segundas fibras de reforço em uma camada e a direção de orientação das fibras de reforço em outra camada adjacente para a uma camada no laminado. O laminado tendo excelente rigidez à flexão é preferível porque resulta na melhoria da rigidez à flexão da estrutura compósita.
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13/52 [0034] Cada camada no laminado tem de preferência um valor absoluto de um ângulo Θ entre o corte e as segundas fibras de reforço de 2o a 25° de um ponto de vista de moldabilidade. Cada camada com um valor absoluto de 25° ou menos exerce um efeito preferível de melhorar as propriedades mecânicas. Por outro lado, cada camada tendo um valor absoluto do ângulo de 2o ou inferior é capaz de obter fluidez e propriedades mecânicas, mas às vezes é difícil fazer tal corte de maneira estável. Isto porque um corte em um ângulo agudo em relação às segundas fibras de reforço faz o contato das segundas fibras de reforço com uma lâmina instável na realização do corte. Além disso, com o valor absoluto do ângulo Θ sendo inferior a 2o, o fornecimento das segundas fibras de reforço com um comprimento de fibra médio em massa Ls de 10 a 100 mm reduz, pelo menos, excessivamente a distância entre os cortes e falta estabilidade de produção. Uma pequena distância entre os cortes também causa um problema de dificultar o manuseio do laminado. Por conseguinte, cada camada no laminado tem preferencialmente um valor absoluto do ângulo θ entre as fibras cortadas e as segundas fibras de reforço de 2o a 25°, e ainda mais preferencial mente tem um valor absoluto em uma faixa de 5o a 15° em vista da relação entre o controle fácil do corte e a rigidez à flexão.
[0035] Cada camada incluída no laminado tem preferencialmente um teor em volume de fibra das segundas fibras de reforço em uma faixa de 45 a 65% do ponto de vista de exercer a rigidez à flexão. Cada camada com um teor em volume de fibra das segundas fibras de reforço inferior a 45% é pequeno em quantidade das segundas fibras de reforço necessárias para exercer a rigidez à flexão do laminado a ser inferior em rigidez à flexão. Por outro lado, cada camada tendo um teor em volume de fibra das segundas fibras de reforço de mais de 65% não é preferível porque isto dificulta a
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14/52 impregnação das segundas fibras de reforço com a segunda resina na fabricação do laminado.
[0036] Um método para inserir um corte no laminado da presente invenção inclui primeiro produzir um precursor laminado (denominado préimpregnado) obtido por impregnação das segundas fibras de reforço, que foram unidirecionalmente dispostas e contínuas, com a segunda resina. Em seguida, é exemplificado um método para fazer um corte no pré-impregnado manualmente com um cortador ou por uma máquina de corte ou um método para pressionar continuamente no pré-impregnado um rolo rotativo tendo uma lâmina disposta em uma posição prescrita do mesmo. Como o pré-impregnado, um pré-impregnado em forma de fita pode ser completamente dividido, e então realinhado em uma configuração desejada ou então disposto aleatoriamente por queda livre de uma certa altura. Por outro lado, as segundas fibras de reforço com um corte feito sobre elas podem ser impregnadas com a segunda resina.
[0037] Cada camada no laminado da presente invenção contém preferivelmente fibras de carbono como as segundas fibras de reforço e termoendurecívels resina como a segunda resina. O uso de fibras de carbono como as segundas fibras de reforço é preferível do ponto de vista de permitir a formação do laminado excelente em equilíbrio entre o módulo de flexão e a densidade. Uso de resina termoendurecível como a segunda resina é preferível do ponto de vista da fiabilidade das propriedades mecânicas do laminado obtido e para a fácil produção do laminado.
Estrutura [0038] A estrutura da presente invenção tem uma densidade em uma faixa de 0,01 a 1 g/ cm3. A estrutura que tem uma densidade p de mais do que 1 g/ cm3 não é preferível, porque isso significa um aumento da massa da estrutura, resultando em causar um aumento da massa da estrutura do
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15/52 compósito formado. A estrutura que tem uma densidade de menos do que o valor limite inferior de 0,01 g/ cm3 é excelente em densidade da própria estrutura, mas tem um proporção em volume excessivamente pequena das primeiras fibras de reforço e a primeira resina na estrutura para torná-la difícil de reter as propriedades mecânicas. A estrutura tem, de preferência uma densidade de 0,03 g/ cm3 ou mais a partir de um ponto de vista de manter as propriedades mecânicas da estrutura. Além disso, a estrutura tem de preferência uma densidade de 0,1 g/ cm3 ou mais, tendo em vista o equilíbrio entre a densidade e as propriedades mecânicas.
[0039] As primeiras fibras de reforço na estrutura que são fibras descontínuas e têm um comprimento de fibra médio em massa de 1 a 15 mm são preferíveis porque são capazes de aumentar a eficiência de reforço das primeiras fibras de reforço para a estrutura e conferem excelentes propriedades mecânicas à estrutura. As primeiras fibras de reforço com um comprimento de fibra médio em massa igual ou superior a 1 mm são preferíveis porque são capazes de formar eficientemente espaços vazios na estrutura para permitir uma diminuição na densidade, em outras palavras, essas primeiras fibras de reforço facilitam a aquisição da estrutura tendo uma espessura desejada, mantendo a mesma massa. Por outro lado, as primeiras fibras de reforço com um comprimento de fibra médio em massa de 15 mm ou menos são preferíveis porque são menos prováveis de serem flexionadas pelo seu próprio peso na estrutura para não inibirem o esforço das propriedades mecânicas. É possível medir o comprimento de fibra médio em massa das primeiras fibras de reforço da mesma maneira que o comprimento de fibra médio em massa das segundas fibras de reforço.
[0040] Na presente invenção, para controlar a densidade da estrutura na faixa dos 0,01 a 1 g/ cm3, a estrutura contém preferencialmente espaços vazios.
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16/52 [0041] Aqui, os vazios referem-se a espaços formados por primeiras fibras de reforço revestidas com primeira resina sendo corpos de suporte colunares e sobrepondo ou cruzando umas com as outras. Por exemplo, quando as primeiras fibras de reforço são impregnadas com a primeira resina antecipadamente para formar um precursor de estrutura e o precursor de estrutura é aquecido para dar a estrutura, a fusão ou amolecimento da primeira resina pelo aquecimento levanta as primeiras fibras de reforço para formar o vazios. Esse fenômeno é baseado no caráter das primeiras fibras de reforço de se elevar por uma força ascendente derivada do módulo de elasticidade das primeiras fibras de reforço que foram comprimidas pela pressão no precursor de estrutura.
[0042] Além disso, a estrutura contendo os vazios tem preferencialmente um teor em volume das primeiras fibras de reforço de 0,5% em volume ou mais e 55% em volume ou menos, um teor em volume da primeira resina de 2,5% em volume ou mais e 85% em volume ou menos, e um teor em volume dos vazios de 10% em volume ou mais e 97% em volume ou menos, com o volume total das primeiras fibras de reforço, da primeira resina e dos vazios definidos como 100% em volume. Essas condições são descritas.
[0043] A estrutura preferencialmente tem um teor em volume das primeiras fibras de reforço na faixa de 0,5% em volume ou mais e 55% em volume ou menos do ponto de vista de satisfazer um efeito de reforço das primeiras fibras de reforço na estrutura e satisfazendo a leveza. A estrutura tendo um teor em volume das primeiras fibras de reforço de 0,5% em volume ou mais é preferível porque é capaz de tornar suficiente o efeito de reforço derivado das primeiras fibras de reforço. Por outro lado, a estrutura tendo um teor em volume das primeiras fibras de reforço de 55% em volume ou menos é preferível porque aumenta relativamente o teor em volume da primeira resina em relação ao teor em volume das primeiras fibras de reforço e permite que as
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17/52 primeiras fibras de reforço na estrutura serem ligadas uma com as outras para serem capazes de tornar suficiente o efeito de reforço das primeiras fibras de reforço e, assim, satisfazer as propriedades mecânicas, particularmente a propriedade de flexão da estrutura.
[0044] A estrutura preferencialmente tem um teor em volume da primeira resina na faixa de 2,5% em volume ou mais e 85% em volume ou menos. A estrutura possuindo um teor em volume da primeira resina de 2,5% em volume ou mais é preferível porque permite que as primeiras fibras de reforço na estrutura sejam ligadas umas às outras para serem capazes de tornar o efeito de reforço das primeiras fibras de reforço suficiente e assim satisfazendo as propriedades mecânicas, particularmente o módulo de flexão da estrutura. Por outro lado, a estrutura possuindo um teor em volume da primeira resina de 85% em volume ou menos é preferível porque não inibe a formação dos vazios.
[0045] A estrutura tem preferencialmente um teor em volume dos vazios na faixa de 10% em volume ou mais e 97% em volume ou menos. A estrutura possuindo um teor em volume dos vazios de 10% em volume ou mais é preferível porque reduz a sua densidade para ser capaz de satisfazer a leveza. Por outro lado, a estrutura possuindo um teor em volume dos vazios de 97% em volume ou menos é preferível porque aumenta suficientemente a espessura da primeira resina que reveste a periferia das primeiras fibras de reforço para permitir um reforço suficiente das primeiras fibras de reforço mútuas na estrutura e aumenta as propriedades mecânicas.
[0046] A estrutura da presente invenção tem preferencial mente uma rigidez à flexão específica em uma faixa de 3 ou mais e 20 ou menos, sendo a rigidez à flexão específica representada por Ec1/3 · p_1 com o módulo de flexão definido como Ec e a densidade definida como p, e a estrutura preferencialmente tem um módulo de flexão Ec de 3 GPa ou mais, do ponto de
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18/52 vista do equilíbrio entre a rigidez à flexão e a leveza da estrutura compósita formada. A estrutura tendo uma rigidez à flexão específica inferior a 3 tem uma densidade elevada, embora tenha um módulo de flexão elevado e seja por vezes incapaz de obter um efeito desejado de redução de peso. Por outro lado, a estrutura tendo uma rigidez à flexão específica maior que 20 indica ter um baixo módulo de flexão mesmo tendo um efeito suficiente de redução de peso, e algumas vezes tem dificuldade em reter uma forma desejada como a estrutura ou é às vezes inferior no módulo de flexão de si mesmo. O aço e o alumínio geralmente têm uma rigidez à flexão específica de 1,5 ou menos e, portanto, a estrutura na estrutura compósita de acordo com a presente invenção tem uma rigidez à flexão específica muito mais excelente do que a rigidez à flexão específica destes materiais metálicos. A estrutura na estrutura compósita de acordo com a presente invenção tem uma rigidez à flexão específica de preferencialmente 4 ou mais, ainda mais preferencialmente 5 ou mais em termos de equilíbrio entre o efeito de redução de peso e a rigidez à flexão específica.
[0047] A estrutura tem um módulo de flexão Ec de preferencialmente 3 GPa ou mais, mais preferencialmente 6 GPa ou mais. A estrutura tendo um módulo de flexão Ec menor que 3 GPa às vezes causa uma limitação em uma faixa de formação da estrutura compósita. Além disso, a estrutura tem, de preferência, um módulo de flexão isotrópico para facilitar a concepção da estrutura compósita. Um limite superior do módulo de flexão não está definido. Na estrutura contendo as primeiras fibras de reforço e a primeira resina, no entanto, o limite superior pode ser geralmente um valor calculado a partir dos módulos elásticos dos componentes constituintes da estrutura, ou seja, as primeiras fibras de reforço e a primeira resina. Na estrutura da presente invenção, os membros são desenhados usando o módulo de flexão
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19/52 da própria estrutura, e um módulo de flexão de 5 GPa é suficiente para uso prático.
[0048] As primeiras fibras de reforço da presente invenção são fibras descontínuas e têm um ângulo médio de orientação da fibra em termos de espessura entre 5o e 60°. As primeiras fibras de reforço que são fibras descontínuas facilitam a formação da estrutura em uma forma complicada quando uma força externa é aplicada à estrutura para moldagem. Além disso, as primeiras fibras de reforço tendo um ângulo médio de orientação da fibra em termos de espessura na faixa de 5o a 60° densificam os espaços vazios formados pelas primeiras fibras de reforço, são capazes de gerar eficientemente os espaços vazios e facilitam o controle da densidade da estrutura. Ou seja, na estrutura, as primeiras fibras de reforço que são fibras descontínuas e têm um ângulo médio de orientação da fibra na faixa específica são capazes de minimizar uma porção mecanicamente fraca que pode ser gerada em uma extremidade de um feixe de fibras das primeiras fibras de reforço na estrutura, para conferir isotropia além de excelente eficiência e confiabilidade de reforço.
[0049] É possível medir o ângulo de orientação das fibras das primeiras fibras de reforço na estrutura da mesma maneira que o ângulo de orientação das fibras das segundas fibras de reforço no laminado.
[0050] As primeiras fibras de reforço são preferencialmente dispersas em quase monofilamentos e aleatoriamente para permitir a homogeneização da estrutura e a fixação da estabilidade da rigidez à flexão. Aqui, a frase “em quase monofilamentos” refere-se à existência de filamentos de denier fino com menos de 500 fios simples de fibra de reforço. As primeiras fibras de reforço são ainda preferencial mente dispersas em monofilamentos.
[0051] As primeiras fibras de reforço da presente invenção têm de preferência uma forma de tecido não tecido, do ponto de vista de fácil
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20/52 impregnação da periferia das primeiras fibras de reforço com a primeira resina. As primeiras fibras de reforço tendo uma forma de tecido não-tecido são preferíveis porque não só proporcionam um manuseamento fácil do tecido não tecido, mas também são capazes de facilitar a impregnação, mesmo quando é utilizado termoplástico que é geralmente considerado como tendo elevada viscosidade como a primeira resina. Aqui, a “forma de um tecido não-tecido” refere-se a uma forma na qual os filamentos e/ ou monofilamentos das primeiras fibras de reforço são dispersos irregularmente e planarmente, e exemplos da forma incluem um tapete de cordas cortadas, um tapete de cordão contínuo, um tapete de fabricação de papel, um tapete de cardar e um tapete de ar (air-laid) (doravante, estes tapetes são coletivamente referidos como tapetes reforçados com fibras).
[0052] Exemplos de um método para fabricar um tapete reforçado com fibras contido na estrutura incluem um método para fabricar um tapete reforçado com fibras dispersando as primeiras fibras de reforço em fios e/ ou quase monofilamentos antecipadamente. Técnicas conhecidas como o método para fabricar um tapete reforçado com fibras, por exemplo, um processo a seco, tal como um método de insuflação de ar para formar as primeiras fibras de reforço em uma folha de dispersão por um fluxo de ar ou um método de cardagem para formar as primeiras fibras de reforço em uma folha enquanto se carda mecanicamente as primeiras fibras de reforço e as primeiras fibras de reforço são colocadas em uma forma, e um processo úmido de agitar as primeiras fibras de reforço na água, seguidas pela fabricação de papel. Exemplos de meios para trazer as primeiras fibras de reforço para mais perto de monofilamentos no processo à seco incluem um método para fornecer barras de abertura de fibras, um método para vibração adicional das barras de abertura de fibras, um método para fazer com que os dentes de um cartão sejam finos, e um método para ajustar a taxa de rotação de um cartão.
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Exemplos dos meios no processo úmido incluem um método para ajustar as condições de agitação das primeiras fibras de reforço, um método para diluir a concentração das fibras de reforço em um líquido de dispersão, um método para ajustar a viscosidade de um líquido de dispersão, e um método para suprimir um fluxo de vórtice quando o líquido de dispersão é transferido. Particularmente, o tapete reforçado com fibras é preferencialmente fabricado pelo processo úmido. É possível ajustar facilmente a proporção das primeiras fibras de reforço no tapete reforçado com fibras, aumentando a concentração das fibras carregadas ou ajustando a taxa de fluxo (quantidade de fluxo) de um líquido de dispersão e a velocidade de um transportador de malha. Por exemplo, diminuir a taxa de um transportador de malha em relação à taxa de fluxo de um líquido de dispersão faz com que a orientação das fibras no tapete reforçado com fibras tenha menos probabilidade de ser direcionada para a direção de puxar para permitir a fabricação de um tapete de fibra de reforço denso. O tapete reforçado com fibras pode ser formado apenas pelas primeiras fibras de reforço, uma mistura das primeiras fibras de reforço com um componente de resina de matriz em pó ou fibrosa, uma mistura das primeiras fibras de reforço com um composto orgânico ou um composto inorgânico, ou as primeiras fibras de reforço que são seladas entre si por um componente de resina.
[0053] O tapete reforçado com fibras pode ser impregnado com a primeira resina antecipadamente para preparar um precursor de estrutura. Como um método para fabricar tal precursor de estrutura, é preferível usar um método para aplicar pressão sobre o tapete reforçado com fibras juntamente com a primeira resina que tenha sido aquecida a uma temperatura de fusão ou de amolecimento ou superior e impregnar o tapete reforçado com fibras com a primeira resina, do ponto de vista de fácil fabricação. Especificamente, exemplos preferidos do método incluem um método para dispor a primeira
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22/52 resina em ambos os lados da superfície em termos de espessura do tapete reforçado com fibras para formar um produto laminado e realizar a impregnação por fusão no tapete reforçado com fibras com a primeira resina.
[0054] Como equipamento para implementar os métodos acima, é possível utilizar adequadamente uma máquina de moldagem por compressão ou uma prensa de correia dupla. A primeira é utilizada para um método do tipo lote, e é possível melhorar a produtividade empregando um sistema de prensa do tipo intermitente incluindo duas ou mais máquinas para aquecimento e arrefecimento em combinação. Este último é usado para um método de tipo contínuo que permite um processamento contínuo fácil para ser excelente em produtividade contínua.
[0055] A estrutura da presente invenção contém preferivelmente fibras de carbono como as primeiras fibras de reforço e termoplásticas como a primeira resina. O uso de fibras de carbono como as primeiras fibras de reforço é preferível porque permite a formação da estrutura excelente em equilíbrio entre as propriedades mecânicas e a leveza. O uso de termoplástico como a primeira resina é preferível a partir de pontos de vista de fácil fabricação da estrutura e fácil ajuste da espessura da estrutura compósita formada.
Primeiras fibras de reforço e segundas fibras de reforço [0056] Exemplos das primeiras fibras de reforço contidas na estrutura e das segundas fibras de reforço contidas no laminado na estrutura compósita de acordo com a presente invenção incluem fibras metálicas tais como de alumínio e de aço inoxidável, à base de PAN, à base de rayon, à base de lignina, ou fibras de carbono à base de PITCH, fibras de grafite, fibras isolantes tais como de vidro, fibras orgânicas tais como aramida, PBO e polifenilenosulfureto, e fibras inorgânicas tais como carboneto de silício e nitreto de silício. A primeira e segunda fibras de reforço podem ser aquelas obtidas por tratamento de superfície destes tipos de fibras. Exemplos do
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23/52 tratamento de superfície incluem, além de um tratamento de depósito de um metal como um condutor, um tratamento com um agente de acoplamento, um tratamento com um agente de colagem, um tratamento com um agente de bandas e um tratamento de fixação de um agente aditivo. Estes tipos de fibras podem ser usados sozinhos, ou dois ou mais tipos de fibras podem ser usados em combinação. Entre estes tipos de fibras, fibras de carbono à base de PAN à base de PITCH ou à base de rayon que são excelentes em resistência específica e rigidez específica são preferivelmente usadas do ponto de vista de um efeito de redução de peso. Além disso, as fibras de vidro são preferencialmente usadas do ponto de vista do aumento da eficiência econômica da estrutura obtida e, particularmente, fibras de carbono e fibras de vidro são preferencialmente usadas em combinação em termos de equilíbrio entre as propriedades mecânicas e a eficiência econômica. Além disso, as fibras de aramida são preferencialmente usadas do ponto de vista de aumentar uma propriedade de absorção de impacto e moldabilidade da estrutura obtida, e particularmente, fibras de carbono e fibras de aramida são preferencialmente usadas em combinação em termos de equilíbrio entre as propriedades mecânicas e a propriedade de absorção de impacto. Além disso, é também possível utilizar fibras de reforço revestidas com um metal tal como níquel, cobre ou itérbio, do ponto de vista da crescente condutividade da estrutura obtida. Entre estes tipos de fibras, é possível utilizar, de um modo mais preferido, fibras de carbono à base de PAN, excelentes em propriedades mecânicas, tais como módulo de resistência e elástico.
Primeira resina e segunda resina [0057] Exemplos da primeira resina contida na estrutura e da segunda resina contida no laminado na estrutura compósita de acordo com a presente invenção incluem resina termoplástica e termoendurecível. Na presente invenção, a resina termoendurecível pode ser misturada com
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24/52 termoplástico. Neste caso, o nome da resina que representa a primeira resina ou a segunda resina é um componente que representa mais de 50% em massa entre os componentes que constituem a primeira resina ou a segunda resina. Quando a resina termoendurecida é usada como a primeira resina, a resina termoendurecida na estrutura significa seu produto curado. Da mesma maneira, quando a resina termoendurecida é usada como a segunda resina, a resina termoendurecida no laminado significa o seu produto curado.
[0058] A primeira resina e a segunda resina da presente invenção podem conter pelo menos um tipo de termoplástico. Exemplos de termoplásticos incluem resina cristalina tal como poliésteres (por exemplo, tereftalato de polietileno (PET), polibutileno tereftalato (PBT), politrimetileno tereftalato (PTT), polietileno naftalato (PEN) e poliéster de cristal líquido), poliolefinas (por exemplo, polietileno (PE), polipropileno (PP) e polibutileno), polioximetileno (POM), poliamida (PA), sulfates de poliarileno (por exemplo, sulfeto de polifenileno (PPS)), policetona (PK), polietercetona (PEK), polieteretercetona (PEEK), polietercetonacetona (PEKK)), poliéter nitrila (PEN), resina à base de flúor (por exemplo, politetrafluoroetileno) e polímero de cristal líquido (LCP); resina amorfa tal como resina à base de estireno assim como policarbonato (PC), polimetilmetacrilato (PMMA), polivinilcloreto (PVC), polifenileno éter (PPE), poliimida (Pl), poliamidaimida (PAI), polieterimida (PEI), polissulfona (PSU), polietersulfona e poliarilato (PAR); outros materiais, tais como resina fenólica, fenoxi resina, resinas à base de poliestireno, à base de poliolefinas, à base de poliuretano, à base de poliéster, à base de poliamida, à base de polibutadieno, à base de poliisopreno, ou à base de flúor, e os elastômeros termoplásticos (por exemplo, à base de acrilonitrila); e termoplásticos selecionados a partir de copolímeros e produtos modificados desses tipos de resina. Entre estes tipos de termoplásticos, prefere-se uma poliolefina do ponto de vista da leveza da estrutura compósita obtida, a
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25/52 poliamida é preferível do ponto de vista da resistência, resina amorfa tal como policarbonato e resina à base de estireno é preferível do ponto de vista de aparência da superfície, o sulfeto de poliarileno é preferível do ponto de vista da resistência ao calor, o polieteretercetona é preferível do ponto de vista da temperatura de uso contínuo, e a resina à base de flúor é preferencialmente usada do ponto de vista da resistência química.
[0059] A primeira resina e a segunda resina da presente invenção podem conter pelo menos um tipo de resina termoendurecível. Exemplos de resina termoendurecida incluem poliéster insaturado, éster de vinila, resina epóxi, resina fenólica, resina de ureia, resina de melamina, uma poliimida termoendurecida, copolímeros e produtos modificados destes tipos de resina, e resina misturada de pelo menos dois desses tipos de resina. É possível usar preferencialmente resina epóxi do ponto de vista das propriedades mecânicas da estrutura compósita obtida. É possível utilizar preferencialmente poliéster insaturado, éster vinílico ou resina epóxi do ponto de vista de um desenho de superfície. É possível usar preferencialmente resina fenólica do ponto de vista do retardamento de chama.
[0060] A primeira resina e a segunda resina podem conter um melhorador de resistência ao impacto tal como elastômero ou um componente de borracha ou outro agente de carga ou aditivo em uma faixa sem prejudicar os objetivos da presente invenção. Exemplos do agente de carga e aditivo incluem uma carga inorgânico, um retardador de chama, um agente transmissor de condutividade, um agente de nucleação, um agente absorvente de ultravioleta, um antioxidante, um agente amortecedor, um agente antibacteriano, um repelente, um desodorante, um inibidor de coloração, um termoestabilizador, um agente de liberação de molde, um agente antiestático, um plastificante, um lubrificante, um agente corante, um pigmento, um corante, um agente espumante, um desespumante e um agente de acoplamento.
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26/52 [0061] A primeira resina contida na estrutura da presente invenção é de preferência termoplástica a partir de pontos de vista de moldabilidade de forma e fácil produção da estrutura. Por outro lado, a segunda resina contida no laminado é, de preferência, resina termoendurecida a partir de pontos de vista de estabilidade das propriedades mecânicas, confiabilidade e moldabilidade.
Método para fabricação de estrutura compósita [0062] De preferência utilizado para a estrutura cempósita de acordo cem a presente invençãe é um métede de fabricaçãe incluinde pele menes as seguintes etapas 1, 2 e 3 realizadas nesta erdem, a partir de pentes de vista de fácil fabricação, controle da espessura da estrutura compósita fabricada, e taxa de fabricação:
[0063] Etapa 1: laminação de um precursor de laminado sobre pelo menos uma superfície de um precursor de estrutura para formar uma estrutura laminada, o precursor de estrutura contendo termoplástico como a primeira resina e as primeiras fibras de reforço e contendo substancialmente quaisquer espaços vazios, e o precursor de laminado contendo resina termoendurecida como a segunda resina e as segundas fibras de reforço;
[0064] Etapa 2: descartar a estrutura laminada em moldes tendo uma forma de flexão, uma forma irregular (por exemplo, uma protuberância) ou uma forma de nervura em pelo menos uma direção de laminação da estrutura laminada e curar a resina termoendurecida para formar um precursor de estrutura de compósito ao formar a estrutura laminada na forma dos moldes por aquecimento e prensagem; e [0065] Etapa 3: ajustar a espessura do do precursor de estrutura de compósito enquanto derrete ou amolece o termoplástico, para expandir o precursor de estrutura e assim formar uma estrutura, dando uma estrutura compósita.
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27/52 [0066] O precursor de estrutura “contendo substancialmente nenhum espaço vazio” utilizado na etapa 1 refere-se ao precursor de estrutura tendo um teor em volume dos espaços vazios de 5% em volume ou menos. O precursor de estrutura tendo um teor em volume dos espaços vazios de 5% em volume ou menos fornece um módulo de flexão suficiente na etapa 1, mesmo quando tendo uma espessura pequena, para satisfazer a capacidade de manuseamento.
[0067] A resina termoendurecida no precursor laminado utilizado na etapa 1 é uma resina termoendurecida não curada e é curada na etapa 2.
[0068] A etapa 1 é uma etapa que obtém uma estrutura laminada formada pela laminação do precursor de laminado no precursor de estrutura. A etapa 2 é uma etapa que coloca a estrutura laminada obtida na etapa 1 em um par de moldes machos e fêmeas tendo uma forma de membro de reforço ou funcional tal como uma forma de flexão, uma forma irregular (por exemplo, uma protuberância) ou uma forma de nervura e formando a estrutura laminada na forma por aquecimento e prensagem. Na etapa 2, é preferível dar à estrutura laminada calor suficiente para permitir que a resina termoendurecível contida no laminado forme uma estrutura de reticulação para a cura. A pressão na etapa 2 é suficiente se apenas permitir que a estrutura laminada, de preferência o precursor laminado, flua para a porção saliente, e uma pressão de 0,3 a 10 MPa seja suficiente.
[0069] A etapa 3 é uma etapa que ajusta a espessura do precursor de estrutura compósita obtida na etapa 2 enquanto aquece o precursor de estrutura compósita, para expandir o precursor de estrutura e assim formar uma estrutura tendo espaços vazios, dando uma estrutura compósita. A temperatura de aquecimento nesta altura é preferivelmente alta o suficiente para dar uma quantidade suficiente de calor para fundir ou amolecer o termoplástico contido na estrutura, dos pontos de vista de controlar a espessura da estrutura compósita
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28/52 fabricada e de uma taxa de fabricação. Especificamente, é preferível aplicar uma temperatura de 10 °C ou mais alta do que a temperatura de fusão do termoplástico (primeira resina) e da temperatura de pirólise ou inferior do termoplástico (primeira resina). A pressão é suficiente apenas se evitar que os moldes se abram durante o controle da espessura, e uma pressão de 3 a 10 MPa é suficiente.
[0070] Como um método para realizar os etapas 2 e 3, qualquer método pode ser empregado desde que permita, por aquecimento, que a resina termoendurecível no precursor de laminado forme uma estrutura de reticulação para curar e expandir o termoplástico no precursor de estrutura permitindo o controle da espessura da estrutura compósita para uma espessura alvo. Exemplificado como um método preferível do ponto de vista da fabricação simples é um método para restringir a espessura do precursor de estrutura compósita com, por exemplo, uma placa de metal ou um método para controlar a espessura do precursor de estrutura compósita por pressão aplicada ao precursor de estrutura compósita. Como equipamento para implementar os métodos acima, é possível utilizar adequadamente uma máquina de moldagem por compressão. Enquanto o método do tipo lote é utilizado, é possível melhorar a produtividade empregando um sistema de prensa do tipo intermitente incluindo duas ou mais máquinas para aquecimento e arrefecimento em combinação.
[0071] A estrutura compósita de acordo com a presente invenção é preferencial mente usada para uma parte interior ou exterior de automóvel, um corpo de dispositivo elétrico ou eletrônico, uma bicicleta, um material de estrutura para artigos esportivos, um material interno de aeronave e uma caixa de transporte. Em particular, a estrutura compósita é especialmente adequada para um membro de módulo consistindo em uma pluralidade de componentes.
Exemplos [0072] Daqui em diante, a presente invenção é adicionalmente descrita especificamente por meio de exemplos.
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29/52 (1) ÂNGULOS MÉDIOS DE ORIENTAÇÃO DAS FIBRAS DAS PRIMEIRAS FIBRAS DE REFORÇO E DAS SEGUNDAS FIBRAS DE REFORÇO NA ESTRUTURA COMPÓSITA [0073] Um laminado e uma estrutura foram extraídos por trituração de estruturas compósitas produzidas em exemplos e exemplos comparativos e uma peça de 25 mm de largura foi cortada do laminado e da estrutura.
[0074] O laminado e a estrutura cortados foram, cada um, sujeitos a observação em corte para medir os ângulos médios de orientação das fibras das primeiras fibras de reforço e das segundas fibras de reforço. A peça foi embebida em resina epóxi e polida de tal forma que uma seção em paralelo com a direção da espessura é uma superfície de observação, para produzir uma amostra. A amostra foi observada com um microscópio a laser (VK-9510, fabricado pela KEYENCE CORPORATION) com uma ampliação de 400 vezes.
[0075] Observou-se o ângulo médio de orientação das fibras do laminado de tal modo que a camada mais próxima da amostra à estrutura veio ao longo da direção longitudinal da fibra das segundas fibras de reforço. A medição do ângulo de orientação da fibra foi realizada medindo-se a superfície limítrofe entre o laminado e a estrutura definida como nível padrão (0o), os ângulos entre o nível padrão e um total de 400 segundas fibras de reforço na amostra de observação extraída, e foi obtido um valor médio aritmético dos valores medidos como o ângulo médio de orientação das fibras das segundas fibras de reforço.
(2) Relação (As)/ (Ap) entre área projetada (Ap) de superfície (referida COMO PLANO DE PROJEÇÃO) QUE TEM UMA PORÇÃO SALIENTE E UMA ÁREA DE LEVANTAMENTO REAL DO PLANO DA PROJEÇÃO (As) EM UMA ESTRUTURA COMPÓSITA [0076] No que diz respeito às estruturas compósitas produzidas nos exemplos e nos exemplos comparativos, foi obtida uma imagem vertical em relação à uma porção de superfície da estrutura compósita com uma
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30/52 câmara digital. A área da porção de superfície foi calculada a partir da escala da imagem obtida e definida como área projetada (Ap). Em seguida, o comprimento, a profundidade e a espessura das formas (porção saliente) no plano de projeção foram medidos usando um paquímetro, e a área das formas foi calculada a partir dos resultados da medição, e a área calculada foi definida como uma área de levantamento real do plano de projeção (As). A razão entre a área projetada (Ap) e a área de levantamento real do plano de projeção (As) foi calculada por (As)/ (Ap).
(3) Volume de conteúdo do laminado na porção saliente [0077] Apenas uma porção saliente foi removida por corte das estruturas compósitas. Em seguida, a parte cortada foi cortada em 5 partes iguais. A observação da seção foi realizada nas peças para medir o teor em volume do laminado na porção saliente. Um comprimento (L1) perpendicular a uma superfície (superfície de observação) em paralelo com a direção da espessura da peça foi medido com antecedência por um micrômetro. Posteriormente, a peça foi embebida em resina epóxi e polida de modo que uma seção em paralelo com a direção da espessura é uma superfície de observação, para produzir uma amostra.
[0078] A amostra foi ampliada com uma ampliação de 200 vezes com um microscópio a laser (VK-9510, fabricado pela KEYENCE CORPORATION) para observar a seção, a imagem de observação obtida foi implantada com software de análise de imagem geralmente usado e uma área de toda a porção saliente (S1) foi obtida usando um programa fornecido no software.
[0079] Posteriormente, a porção laminada foi extraída pelo contraste confirmado na imagem de observação, e uma área da porção laminada (S2) foi obtida da mesma maneira como descrita acima, usando o programa no software de análise de imagem geralmente utilizado. As áreas
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31/52 obtidas foram substituídas na fórmula a seguir para calcular um teor em volume do laminado na porção saliente, e um valor médio aritmético das peças medidas foi calculado.
Teor em volume de laminado na porção saliente = 100 - ((S1 - S2) χ L1)/ (S1 χ L1)) x 100 (4) Variação no teor em volume das segundas fibras de reforço no
LAMINADO [0080] Um laminado foi extraído por trituração das estruturas compósitas, e depois disso, o laminado foi cortado em uma porção saliente e uma porção diferente da porção saliente. Em seguida, a porção saliente foi cortada em 4 porções iguais. A porção diferente da porção saliente foi cortada em uma peça quadrada de 25 mm. Quando menor que 25 mm, a porção diferente da porção saliente foi cortada em 4 peças isométricas. O teor em volume das segundas fibras de reforço foi calculado da mesma forma que em (3), exceto a dimensão do recorte. Além disso, um desvio padrão foi calculado a partir dos valores medidos do teor em volume das segundas fibras de reforço, o desvio padrão foi dividido por um valor médio para calcular um coeficiente de variação (valor CV (%)) como um indicador de variabilidade, e o coeficiente de variação foi definido como uma variação no teor em volume.
(5) Razão entre o comprimento de fibra médio em massa das segundas FIBRAS DE REFORÇO NO LAMINADO (Ls) E O COMPRIMENTO DE FIBRA MÉDIO EM MASSA DAS PRIMEIRAS FIBRAS DE REFORÇO NA ESTRUTURA (Lc) [0081] Um laminado e uma estrutura foram extraídos das estruturas compósitas por moagem. Em seguida, cada um do laminado e da estrutura foi aquecido ao ar a 500 °C durante 30 minutos para queimar o seu componente de resina. As fibras de reforço restantes foram espalhadas como uma amostra em papel de filtro. A amostra foi ampliada com uma ampliação de 200 vezes com um microscópio a laser (VK-9510, fabricado pela KEYENCE
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CORPORATION) para medir o comprimento da fibra da amostra. Os comprimentos de fibra médios em massa (Ls) e (Lc) foram obtidos a partir dos resultados de medição obtidos pela seguinte fórmula, e a razão entre os comprimentos médios de fibra de massa foi calculada pela seguinte fórmula.
Razão no comprimento de fibra médio em massa entre as segundas fibras de reforço e as primeiras fibras de reforço = (Ls)/ (Lc)
Sendo o comprimento de fibra médio em massa das primeiras fibras de reforço (Lc) e comprimento médio das fibras da segunda fibra de reforço (Ls)
Comprimento de fibra médio em massa = Σ (Li x Wi/100)
Li: comprimento da fibra medida (i = 1,2, 3... n)
Wi: fração da massa da fibra do comprimento da fibra Li (i = 1, 2,
3... n) (6) TEOR EM VOLUME DAS PRIMEIRAS FIBRAS DE REFORÇO NA ESTRUTURA VF [0082] Depois que uma massa da estrutura Ws foi medida, a estrutura foi aquecido ao ar a 500 °C durante 30 minutos para queimar o seu componente de resina, uma massa das primeiras fibras de reforço restantes Wf foi medida, e o teor em volume das primeiras fibras de reforço foi calculado pela seguinte fórmula.
Teor em volume das primeiras fibras de reforço Vf (% em vol) = (Wf/ pf)/ {Wf/ pf + (Ws - Wf)/ pr} x 100 pf: densidade das primeiras fibras de reforço (g/ cm3) pr: densidade da primeira resina (g/ cm3) (7) Teor em volume de espaços vazios na estrutura [0083] Um pedaço de teste quadrado com 10 mm foi cortado da estrutura, uma seção do corpo de prova foi observada com um microscópio eletrônico de varredura (SEM) (tipo S-4800, fabricado pela Hitachi HighTechnologies Corporation), e a superfície da estrutura foi visualizada em 10 locais com um intervalo igual em uma ampliação de 1000 vezes. Uma área
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33/52 vazia Aaem cada uma das imagens foi obtida. Uma porcentagem dos espaços vazios foi calculada dividindo a área vazia Aapela área da imagem inteira. O teor em volume dos espaços vazios na estrutura foi obtido por uma média aritmética das porcentagens dos espaços vazios em um total de 50 locais, 10 locais em cada uma das 5 peças de teste.
(8) Teor em volume da primeira resina na estrutura [0084] O teor em volume da primeira resina foi obtido pela fórmula a seguir, utilizando os valores do teor em volume das primeiras fibras de reforço e o volume dos espaços vazios na estrutura que foram obtidos em (6) e (7).
Teor em volume da primeira resina Vr (% em vol) = 100 - (Vf + Va)
Vf: teor em volume das primeiras fibras de reforço (% em vol)
Va: volume de espaços vazios (% em vol) (9) Módulo de flexão e rigidez à flexão específica da estrutura [0085] As peças de teste foram cortadas da estrutura e o módulo de flexão foi medido de acordo com o método ISO178 (1993). As peças de teste foram produzidas cortando a estrutura em quatro direções a 0o, + 45°, 45° e 90°, com qualquer direção definida como 0o, cada direção tinha um número de peças medidas de 5 (n = 5), e um valor médio aritmético foi definido como um módulo de flexão Ec. Uma máquina de ensaio de material universal tipo “INSTRON (marca registrada)” 5565 (fabricada pela INSTRON JAPAN Co., Ltd.) foi usada como um dispositivo de medição.
[0086] Como densidade, a densidade aparente das peças de teste acima foi medida com referência a JIS K7222 (2005). O comprimento, a largura e a espessura de cada uma das peças de teste foram medidos por um micrômetro, e um volume V da peça de teste foi calculado a partir dos valores obtidos. Além disso, uma massa M da peça de teste usada para a medição foi medida por uma balança eletrônica. A massa obtida Meo volume V foram substituídos na fórmula a seguir para calcular uma densidade p da estrutura.
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34/52 p [g/ cm3] = 103 x M [g]/ V [mm3] [0087] O módulo de flexão Ec e a densidade p obtidos acima foram substituídos na fórmula a seguir para calcular uma rigidez à flexão específica da estrutura. Como o módulo de flexão e a densidade, uma média aritmética das peças medidas foi obtida e usada como um valor representativo.
Rigidez à flexão específica = Ec13/ p [0088] Os seguintes materiais foram utilizados nos seguintes exemplos e exemplos comparativos.
Fibras de carbono [0089] Um copolímero contendo poliacrilonitrila como componente principal foi submetido a processamento em fiado, processamento calcinado e processamento de tratamento por oxidação superficial, e um total de 12.000 fios simples foram obtidos como fibras de carbono contínuas. As propriedades das fibras de carbono contínuas foram as seguintes.
Diâmetro da fibra única: 7pm
Densidade: 1,8
Resistência à tração: 4600 MPa
Módulo elástico de tração: 220 GPa
Resina de PP [0090] Foi produzida uma folha de resina que foi formada por 80% em massa de resina de polipropileno não modificada (“Prime Polypro” (marca registada) J105G fabricada por PRIME POLYMER Co., Ltd.) e 20% em massa de resina de polipropileno modificada por ácido (“ADMER” QB510 fabricada pela Mitsui Chemicals, Inc.) com urn peso por unidade de área de 100 g/ m2. A Tabela 1 mostra as propriedades da folha de resina obtida.
Resina PA6 [0091] Um filme de resina foi produzido o qual era formado de resina de nylon 6 (“AMILAN” marca registada) CM1021T (fabricada por Toray
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Industries, Inc.) com urn peso por unidade de área de 124 g/ m2. A Tabela 1 mostra as propriedades do filme de resina obtido.
Resina de PEs [0092] Um filme de resina foi produzido o qual foi formado de um poliéster de resina (“Hytrel” (marca registada) SB754 fabricado por Toray Industries, Inc.) com um peso por unidade de área de 121 g/ m2. A Tabela 1 mostra as propriedades do filme de resina obtido.
Resina epóxi [0093] Uma composição de resina epóxi não curada foi preparada aquecendo e amassando, com um amassador, a resina epóxi (30 partes em massa de “EPIKOTE (marca registrada)” 828, 35 partes em massa de “EPIKOTE (marca registrada)” 1001, e 35 partes em massa de “EPIKOTE (marca registada)” 154 fabricada pela Japan Epoxy Resins Co., Ltd.) e 5 partes em massa de polivinil termeplástice formal (“Vinylec (marca registada)” K fabricada pela CHISSO CORPORATION) para dissolver uniformemente o polivinil formal e depois amassar, com um amassador, 3,5 partes em massa de um agente de cura diciandiamida (DICY7 fabricado pela Japan Epoxy Resins Co., Ltd.) e 7 partes em massa de um acelerador de cura 4,4-metilenebis (fenildimetilureia) (“OMICURE” (marca registrada) 52 da PTI Japan Limited). Um filme de resina cam urn pesp par unidade de área de 132 g/ m2 foi produzida a partir de uma composição de resina epóxi nãe curada com um revestidor de faca. A Tabela 1 mostra as propriedades do filme de resina obtido.
Estrutura A [0094] Com o uso das fibras de carbono como as primeiras fibras de reforço, as fibras de carbono foram cortadas com um cortador de fios a 6 mm para dar fibras de carbono picadas. Foi preparado um líquido de dispersão formado por água e um agente tensoativo (polyoxyethylene lauryl ether (nome
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36/52 comercial) fabricado por NACALAI TESQUE, INC.) em uma concentração de 0,1% em massa, e um tapete reforçado com fibras foi fabricado com utilização do líquido de dispersão e das fibras de carbono cortadas. Um dispositivo de fabricação inclui, como tanque de dispersão, um recipiente na forma cilíndrica de 1000 mm de diâmetro com uma torneira de abertura em uma porção inferior do recipiente e inclui uma peça de transporte linear (ângulo de inclinação: 30°) que liga o tanque de dispersão a um tanque de fabricação de papel. Um agitador é anexado a uma abertura sobre uma superfície superior do tanque de dispersão, e é possível carregar as fibras de carbono cortadas e o líquido de dispersão (meio de dispersão) através da abertura no tanque de dispersão. O tanque de fabricação de papel inclui um transportador de malha que tendo uma superfície de fabricação de papel de 500 mm de largura no fundo e tem o seu transportador de malha ligado a um transportador capaz de distribuir um substrato de fibra de carbono (substrato de fabricação de papel). A fabricação de papel foi realizada com a concentração das fibras de carbono no líquido de dispersão adicionada a 0,05% em massa. O substrato de fibra de carbono produzido pela fabricação de papel foi seco em forno seco a 200 °C por 30 minutos para dar um tapete reforçado com fibra. O peso por unidade de área da esteira era de 50 g/ m2.
[0095] Um produto laminado foi produzido depositando o tapete reforçado com fibras e a resina PP como a primeira resina em uma ordem de [primeira resina/ tapete reforçado com fibras/ primeira resina/ tapete reforçado com fibras/ primeira resina/ tapete reforçado com fibras/ primeira resina/ tapete reforçado com fibras/ tapete reforçado com fibras/ primeira resina/ tapete reforçado com fibras/ primeira resina/ tapete reforçado com fibras/ primeira resina/ tapete reforçado com fibras/ primeira resina]. Em seguida, a estrutura foi submetida às seguintes etapas (I) a (V) para dar uma estrutura A. A Tabela 2 mostra as propriedades da estrutura A:
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37/52 (I) O produto laminado é colocado em uma cavidade do molde de moldagem por prensa que foi preliminarmente aquecido a 230 °C e os moldes estão fechados;
(II) Em seguida, os moldes são retidos por 120 segundos e depois retidos por 60 segundos enquanto pressionados a uma pressão de 3 Mpa;
(III) Após a etapa (II), a cavidade do molde é aberta e um espaçador de metal é inserido em uma extremidade da cavidade para ajustar a espessura de uma estrutura obtida para 3,4 mm;
(IV) Em seguida, a cavidade do molde é fechada de novo, e os moldes são resfriados a uma temperatura de cavidade de 50 °C enquanto a pressão é mantida;
(V) Os moldes são abertos e uma estrutura é extraída.
Estrutura B [0096] Uma estrutura B foi obtida do mesmo modo como a estrutura de A, exceto que a primeira resina foi alterada de resina PP para a resina PA6, a temperatura preliminar na etapa (I) foi alterada de 230 °C para 260 °C, e a temperatura da cavidade na etapa (IV) foi alterada de 50 °C para 60 °C. A Tabela 2 mostra as propriedades da estrutura B.
Estrutura C [0097] Uma estrutura C foi obtida do mesmo modo que a estrutura A, com a exceção de que a primeira resina foi trocada da resina PP para a resina PE e a temperatura preliminar na etapa (I) ter mudado de 230 °C para 200 °C. A Tabela 2 mostra as propriedades da estrutura C.
Estrutura D [0098] Um produto laminado foi obtido da mesma maneira que a estrutura A, alterando a primeira resina da resina PP para a resina epoxi. Em
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38/52 seguida, o produto laminado foi submetido às seguintes etapas (I) a (V) para dar uma estrutura D. A Tabela 2 mostra as propriedades da estrutura D:
(I) O produto laminado é colocado em uma cavidade do molde de moldagem por prensa que foi preliminarmente aquecido a 150 °C e os moldes estão fechados;
(II) Em seguida, os moldes são retidos por 20 segundos enquanto pressionados a uma pressão de 1 Mpa;
(III) Após a etapa (II), a cavidade do molde é aberta e um espaçador de metal é inserido em uma extremidade da cavidade para ajustar a espessura de uma estrutura obtida para 3,3 mm, e então os moldes foram fechados novamente e uma pressão de 1 MPa é retida por 30 minutos;
(IV) Depois disso, a cavidade do molde é bem fechada de novo, e os moldes são resfriados a uma temperatura de cavidade de 30 °C enquanto a pressão é retida;
(V) Os moldes são abertos e uma estrutura é extraída.
Estrutura E [0099] Uma estrutura E foi obtida da mesma maneira que a estrutura A, exceto que a espessura do espaçador de metal usado na etapa (III) de fabricação da estrutura A foi alterada de 3,4 mm para 6,8 mm. A Tabela 2 mostra as propriedades da estrutura E.
Estrutura F [00100] Um tapete reforçado com fibras foi obtido da mesma maneira que o tapete reforçado com fibras contido na estrutura A, exceto que com o uso das fibras de carbono como as primeiras fibras de reforço, as fibras de carbono foram cortadas com um cortador de fita a 15 mm para fornecer fibras de carbono cortadas. Em seguida, obteve-se uma estrutura F do mesmo modo que a estrutura A, com a diferença de que a espessura do espaçador de
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39/52 metal utilizado na etapa (III) foi alterada de 3,4 mm para 1,1 mm. A Tabela 2 mostra as propriedades da estrutura F.
Estrutura G [00101] Um tapete reforçado com fibras foi obtido da mesma maneira que a tapete reforçado com fibras contido na estrutura A, exceto que com o uso das fibras de carbono como as primeiras fibras de reforço, as fibras de carbono foram cortadas com um cortador de fita a 0,5 mm para fornecer fibras de carbono cortadas. Em seguida, uma estrutura G foi obtida da mesma maneira que a estrutura A, exceto que a espessura do espaçador de metal usado na etapa (III) foi alterada de 3,4 mm para 1,7 mm. A Tabela 2 mostra as propriedades da estrutura G.
Estrutura H [00102] Uma estrutura H foi obtida da mesma maneira que a estrutura A, exceto que a espessura do espaçador de metal usado na etapa (III) de fabricação da estrutura A foi mudada de 3,4 mm para 1,0 mm. A Tabela 2 mostra as propriedades da estrutura H.
Laminado A [00103] Com o uso do filme de resina epóxi como a segunda resina, em seguida, o filme de resina epóxi foi colocado em camadas em cada uma das duas superfícies das fibras de carbono que foram alinhadas unidirecionalmente como as segundas fibras de reforço, seguido de aquecimento e prensagem para impregnar as fibras de carbono com a resina epóxi e, assim, produzir um pré-impregnado tendo um peso por unidade de área das fibras de carbono de 125 g/ m2, um teor em volume de fibra Vf de 60%, e uma espessura de 0,125 mm.
[00104]No pré-impregnado, um corte linear na direção de 15° em relação à direção de orientação das fibras de carbono foi inserido continuamente por uma máquina de corte automático, e o pré-impregnado
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40/52 foi cortado em um tamanho de 300 χ 300 mm, assim, fornecendo ao préimpregnado cortes regulares com um intervalo igual. Não foi inserido um corte na periferia de 5 mm do pré-impregnado com um tamanho de 300 χ 300 mm de modo a não fazer o pré-impregnado em pedaços por cortes contínuos (cortes foram inseridos apenas em uma faixa de 290 χ 290 mm). O comprimento das fibras dividido pelos cortes foi de 50 mm. Préimpregnados recortados com cortes foram laminados para formar quatro camadas [0o/ 90°/ 90°/ 0o], com a direção de orientação das segundas fibras reforçadas definidas como direção a 0° e a direção deslocada para a direita em 90 graus a partir do direção de orientação das segundas fibras reforçadas definidas como 90°, e assim fornecer um laminado A. A Tabela 3 mostra as propriedades do laminado A.
Laminado B [00105] Um laminado B foi obtido da mesma maneira que o laminado A exceto que o comprimento das fibras pelos cortes foi estabelecido em 10 mm, e pré-impregnados com cortes foram laminados para formar quatro camadas [0°/ -45°/ 90°/ 45°]. A Tabela 3 mostra as propriedades do laminado B.
Laminado C [00106] Um laminado C foi obtido do mesmo modo que o laminado A, com a exceção de não ter sido inserido nenhum corte. A Tabela 3 mostra as propriedades do laminado C.
Laminado D [00107]Um laminado D foi obtido do mesmo modo que o laminado A, com a exceção de que o ângulo de corte foi estabelecido a 30° e os pré-impregnados com cortes foram laminados para formar quatro camadas [0°/ -45°/ 90°/ 45°]. A Tabela 3 mostra as propriedades do laminado D.
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Laminado E [00108] Um laminado E foi obtido do mesmo modo que o laminado A, com a exceção de que o teor em volume de fibra Vf foi estabelecido em 70%. A Tabela 3 mostra as propriedades do laminado E.
Laminado F [00109] Um laminado F foi obtido da mesma maneira que o laminado A exceto que o comprimento de corte do laminado foi estabelecido em 150 mm, o teor em volume de fibra Vf foi fixado em 45%, e os préimpregnados com cortes foram laminados para formar quatro camadas [0o/ 0o/ 0o/ 0o]. A Tabela 3 mostra as propriedades do laminado F.
Exemplo 1 [00110] Os moldes para formar a estrutura compósita foram processados para formar uma nervura em forma de linha reta tendo uma largura de 300 mm, uma espessura de 2 mm e uma altura de 20 mm, transversalmente no centro plano de uma forma de placa com um comprimento de 200 mm e largura de 300 mm. Os moldes têm uma estrutura de aresta de corte em uma extremidade do mesmo.
[00111] Etapa 1: um precursor de estrutura A foi usado como estrutura e o laminado A foi usado como o laminado. Estes membros foram laminados como [laminado A/ precursor de estrutura A/ laminado A] para fornecer uma estrutura laminada. Em seguida, a estrutura de laminado foi colocada em uma cavidade do molde de moldagem por prensa, que tinha sido previamente aquecida a 150 °C.
[00112] Etapa 2: em seguida, os moldes foram fechados, prensados a uma pressão de 1 MPa e retidos por 10 minutos enquanto prensados.
[00113] Etapa 3: depois da temperatura da cavidade do molde ter sido aumentada para 220 °C, os moldes foram abertos, e um espaçador de
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42/52 metal foi inserido em uma extremidade dos moldes para ajustar a espessura de uma estrutura de 3,4 mm.
[00114] Etapa 4: em seguida, a cavidade do molde foi estreitamente fechada de novo, e os moldes foram rapidamente arrefecidos para uma temperatura de cavidade de 50 °C, enquanto a pressão foi mantida a 3 MPa.
[00115] Etapa 5: os moldes foram abertos e uma estrutura compósita foi extraída.
[00116] Na estrutura compósita obtida através das etapas, uma porção saliente (forma de nervura) sobressai da forma da folha, e as segundas fibras de reforço derivadas do laminado cheio até à ponta da porção saliente. O precursor de estrutura A teve a sua espessura ajustada pela etapa 4 e forneceu as mesmas propriedades (densidade, teor em volume de cada elemento em estrutura, módulo de flexão e rigidez de flexão específica) que a estrutura A (Tabela). A Tabela 4 mostra as propriedades da estrutura compósita obtida.
Exemplo 2 [00117] Uma estrutura compósita foi obtida do mesmo modo que no Exemplo 1, exceto que um precursor de estrutura C foi utilizado como a estrutura, a temperatura foi fixada em 200 °C na etapa 3, e a estrutura laminada foi formada por laminação em uma ordem de [laminado A/ precursor da estrutura C]. A Tabela 4 mostra as propriedades da estrutura compósita obtida. A estrutura na estrutura compósita obtida forneceu as mesmas propriedades (densidade, teor em volume de cada elemento na estrutura, módulo de flexão e rigidez de flexão específica) tais como a estrutura C.
Exemplo 3 [00118] Foram utilizados como moldes, os moldes que foram processados para formar uma protuberância como uma forma de saliência com
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43/52 φ100 mm, uma espessura de 2 mm e uma altura de 2 mm, em uma porção central planar de uma forma de placa tendo um comprimento de 200 mm e uma largura de 300 mm. Obteve-se uma estrutura compósita da mesma maneira que no Exemplo 1, exceto que se utilizou um precursor de estrutura B e o laminado D como estrutura laminada e a temperatura foi fixada em 240 °C na etapa 3. A Tabela 4 mostra as propriedades da estrutura compósita obtida. A estrutura na estrutura compósita obtida forneceu as mesmas propriedades (densidade, teor em volume de cada elemento na estrutura, módulo de flexão e rigidez de flexão específica) tais como a estrutura B.
Exemplo 4 [00119] Utilizaram-se como moldes, os moldes em forma de caixa que tinham sido processados para formar uma forma de parede vertical com uma espessura de 1 mm e uma altura de 40 mm, na periferia, ou quatro lados de uma forma de placa com um comprimento de 200 mm e uma largura de 300 mm. Foi obtida uma estrutura compósita do mesmo modo que no Exemplo 1, com a exceção de se ter utilizado um precursor de estrutura A e o laminado B como estrutura laminada. A Tabela 4 mostra as propriedades da estrutura compósita obtida. A estrutura na estrutura compósita obtida forneceu as mesmas propriedades (densidade, teor em volume de cada elemento em estrutura, módulo de flexão e rigidez de flexão específica) que a estrutura A.
Exemplo 5 [00120] Utilizaram-se como moldes, os moldes que foram processados para formar, com uma forma semiesférica tendo um diâmetro de 150 mm e uma altura de 100 mm usada como uma base, uma forma de nervura com uma largura de 100 mm, uma espessura de 2 mm, e uma altura de 5 mm, em quatro direções, com um intervalo igual, do topo até as extremidades da forma semiesférica. Foi obtida uma estrutura compósita do mesmo modo que no Exemplo 1, com a exceção de se ter utilizado um
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44/52 precursor de estrutura E e o laminado B como estrutura laminada. A Tabela 4 mostra as propriedades da estrutura compósita obtida. A estrutura na estrutura compósita obtida forneceu as mesmas propriedades (densidade, teor em volume de cada elemento na estrutura, módulo de flexão e rigidez de flexão específica) tais como a estrutura E.
Exemplo 6 [00121] Utilizaram-se como moldes, os moldes utilizados no Exemplo 4. Foi obtida uma estrutura compósita do mesmo modo que no Exemplo 1, com a exceção de se ter utilizado um precursor de estrutura G e o laminado E como estrutura laminada. A Tabela 4 mostra as propriedades da estrutura compósita obtida. A estrutura na estrutura compósita obtida forneceu as mesmas propriedades (densidade, teor em volume de cada elemento na estrutura, módulo de flexão e rigidez de flexão específica) tais como a estrutura G.
Exemplo 7 [00122] Utilizaram-se como moldes, os moldes utilizados no Exemplo 1. Foi obtida uma estrutura compósita do mesmo modo que no Exemplo 1, com a exceção de se ter utilizado um precursor de estrutura Dec laminado D como estrutura laminada e a temperatura ter sido fixada a 150 °C na etapa 3. A Tabela 5 mostra as propriedades da estrutura compósita obtida. A estrutura na estrutura compósita obtida forneceu as mesmas propriedades (densidade, teor em volume de cada elemento na estrutura, módulo de flexão e rigidez de flexão específica) tais como a estrutura D.
Exemplo 8 [00123] Utilizaram-se como moldes, os moldes utilizados no Exemplo 1. Foi obtida uma estrutura compósita do mesmo modo que no Exemplo 1, com a exceção de se ter utilizado um precursor de estrutura F e o laminado B como estrutura laminada. A Tabela 5 mostra as propriedades da
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45/52 estrutura compósita obtida. A estrutura na estrutura compósita obtida forneceu as mesmas propriedades (densidade, teor em volume de cada elemento em estrutura, módulo de flexão e rigidez de flexão específica) tais como a estrutura F.
Exemplo Comparativo 1 [00124] Utilizaram-se como moldes, os moldes utilizados no Exemplo 1. Foi obtida uma estrutura compósita do mesmo modo que no Exemplo 1, com a exceção de se ter utilizado um precursor de estrutura H e do laminado C como estrutura laminada e a estrutura compósita foi obtida sem a etapa 3 no Exemplo 1. A Tabela 5 mostra as propriedades da estrutura compósita obtida. A estrutura na estrutura compósita obtida forneceu as mesmas propriedades (densidade, teor em volume de cada elemento na estrutura, módulo de flexão e rigidez de flexão específica) tais como a estrutura H.
Exemplo Comparativo 2 [00125] Utilizaram-se como moldes, os moldes utilizados no Exemplo 3. Uma estrutura compósita foi obtida da mesma maneira que no Exemplo 1, com a exceção de se ter utilizado um precursor de estrutura A e o laminado C como estrutura laminada. A Tabela 5 mostra as propriedades da estrutura compósita obtida. A estrutura na estrutura compósita obtida forneceu as mesmas propriedades (densidade, teor em volume de cada elemento em estrutura, módulo de flexão e rigidez de flexão específica) que a estrutura A.
Exemplo Comparativo 3 [00126] Utilizaram-se como moldes, os moldes utilizados no Exemplo 1. Foi obtida uma estrutura compósita do mesmo modo que no Exemplo 1, com a exceção de se ter utilizado um precursor de estrutura F e o laminado F como estrutura laminada. A Tabela 5 mostra as propriedades da estrutura compósita obtida. A estrutura na estrutura compósita obtida forneceu
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46/52 as mesmas propriedades (densidade, teor em volume de cada elemento em estrutura, módulo de flexão e rigidez de flexão específica) tais como a estrutura F.
Exemplo Comparativo 4 [00127] Utilizaram-se como moldes, os moldes utilizados no Exemplo 1. Foi obtida uma estrutura compósita do mesmo modo que no Exemplo 1, com a exceção de se ter utilizado um precursor de estrutura E e o laminado E como estrutura laminada. A Tabela 5 mostra as propriedades da estrutura compósita obtida. A estrutura na estrutura compósita obtida forneceu as mesmas propriedades (densidade, teor em volume de cada elemento na estrutura, módulo de flexão e rigidez de flexão específica) tais como a estrutura E.
Estudo [00128] Os presentes exemplos esclarecem que todas as estruturas compósitas produzidas resultaram em excelente moldabilidade de forma porque foram usadas as estruturas compósitas incluindo a estrutura que continha as primeiras fibras de reforço e a primeira resina e o laminado que foi disposto sobre pelo menos uma superfície da estrutura e tinha uma pluralidade de camadas contendo as segundas fibras de reforço e a segunda resina e ainda porque as primeiras fibras de reforço contidas na estrutura eram fibras descontínuas e tinham um ângulo médio de orientação da fibra em termos de espessura na faixa de 5 a 60° e as segundas fibras de reforço contidas no laminado eram fibras descontínuas e tinham um ângulo médio de orientação da fibra em termos de espessura em uma faixa de 0 a 5o. Além disso, os Exemplos 1, 2, 3 e 7 esclarecem que a alteração do tipo da primeira resina na estrutura não afeta os efeitos da estrutura. Além disso, é também esclarecido que todas as estruturas compósitas produzidas resultam em excelente moldagem de forma. A estrutura compósita obtida em cada um dos exemplos
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47/52 não só era excelente em leveza porque a estrutura utilizada tinha uma densidade em uma faixa de 0,01 a 1 g/ cm3, mas também tinha pouca variabilidade das propriedades do produto porque o laminado tinha uma variação no teor em volume das fibras de reforço em uma faixa de 0 a 10%. Além disso, é esclarecido que a estrutura compósita obtida em cada um dos exemplos é capaz de incluir um componente funcional tendo pelo menos uma porção saliente como a forma da estrutura compósita, a estrutura compósita é excelente em propriedades mecânicas, particularmente módulo de flexão porque as segundas fibras de reforço e a segunda resina que são derivadas do laminado preenchem a nervura, a protuberância ou a parede vertical como a porção saliente, e a estrutura compósita é excelente em rigidez à flexão específica devido ao excelente módulo de flexão juntamente com a densidade da estrutura.
[00129] Por outro lado, o Exemplo Comparativo 1 deu uma estrutura compósita tendo uma massa grande para o volume da estrutura compósita, porque a estrutura compósita foi obtida sem a etapa 3 no Exemplo 1 sendo incapaz de gerar espaços vazios na porção de estrutura. Além disso, as estruturas compósitas dos Exemplos Comparativos 1 e 2 foram incapazes de obter os efeitos de reforço pela porção saliente, porque o laminado continha fibras contínuas sem cortes para diminuir o teor em volume do laminado na porção saliente. No Exemplo Comparativo 3, o laminado tinha cortes, mas tinha as suas camadas laminadas apenas na direção [0o] para permitir que a pressão da moldagem por pressão pressionasse as fibras contínuas, tornando as fibras contínuas incapazes de formar uma forma e assim fazendo com que apenas a resina fluísse para fora. Isto aumentou a variação em espessura das segundas fibras de reforço no laminado. No Exemplo Comparativo 4, o laminado tinha um teor em volume elevado da resina para gerar alguma moldagem imperfeita, tal como um desfoque sobre uma superfície da estrutura
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48/52 compósita e aumentar a variação no teor em volume das segundas fibras de reforço no laminado. Estes fenômenos foram considerados como sendo causados pela moldagem imperfeita e não permitiram que as propriedades desejadas fossem obtidas.
Tabelai
Resina PP Resina PA6 Resina PE Resina epóxi
Tipo - Polipropileno Nylon 6 Poliéster Epóxi
Peso por unidade de área g/ m2 100 124 121 132
Densidade g/ cm3 0,92 1,13 1,09 1,20
Ponto de fusão °C 165 225 160 -
Ponto de fusão °C - - 55 -
Tabela 2
Estrutur a A Estrutur a B Estrutur aC Estrutur aD Estrutur a E Estrutur aF Estrutur aG Estrutur a H
Primeiras fibras de reforço Tipo Fibras de carbono Fibras de carbono Fibras de carbono Fibras de carbono Fibras de carbono Fibras de carbono Fibras de carbono Fibras de carbono
Primeira resina Tipo PP PA6 PEs Epóxi PP PP PP PP
Densidade g/ cm3 0,36 0,42 0,41 0,44 0,18 1,00 0,72 1,08
Comprimen to médio da fibra em massa (Lc) milímetro s 6 6 6 6 6 15 0,5 6
Teor em volume das primeiras fibras de reforço % em vol 6,7 6,7 6,7 6,7 3.3 18,3 13,4 20
Teor em volume da primeira resina % em vol 26,6 26,6 26,6 26,6 13,4 72,6 53,3 80
Teor em volume de espaços vazios % em vol 66,7 66,7 66,7 66,7 83,3 9,1 33,3 Nenhum
Módulo de flexão GPa 8,1 9,0 3,5 9,5 2.0 12,0 11,0 14,0
Rigidez à flexão específica - 5,58 4,95 3,70 4,81 7,00 2,29 3,08 2,23
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Tabela 3
Laminado A Laminado B Laminado C Laminado D Laminado Ε Laminado F
Segundas fibras de reforço Tipo Fibras de carbono Fibras de carbono Fibras de carbono Fibras de carbono Fibras de carbono Fibras de carbono
Segunda resina Tipo Resina epóxi Resina epóxi Resina epóxi Resina epóxi Resina epóxi Resina epóxi
Teor em volume Vf % em vol 60 60 60 60 70 45
Cortar Com ou Sem W/ W/ Sem o W/ W/ W/
Comprimento médio da fibra em massa (Ls) milímetros 50 10 Fibras contínuas 50 50 150
Ângulo de corte θ o 15 15 Sem o 30 15 15
Número de camadas Camadas 4 4 4 8 4 4
Angulo entre as direções de orientação das fibras de reforço nas camadas adjacentes o [0/90/90/0] [0/ -45/ 90/45] [0/90/90/0] [0/ -45/ 90/45] s [0/90/90/0] [0]
Tabela 4
Exemplo 1 Exemplo 2 Exemplo 3 Exemplo 4 Exemplo 5 Exemplo 6
Estrutura - A C B A E G
Ângulo médio de orientação da fibra em termos de espessura das primeiras fibras de reforço o 8 8 8 8 20 5
Laminado - A A D B B E
Ângulo médio de orientação da fibra em termos de espessura das segundas fibras de reforço o 1 1 3 2 5 5
Disposição na estrutura compósita - [L/ S/ L] [L/S] [L/ S/ L] [L/ S/ L] [L/ S/ L] [L/ S/ L]
Forma - Folha Folha Folha Folha Semiesfera Folha
Forma de porção saliente - Nervura Nervura Protuberância Parede vertical Nervura Parede vertical
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Exemplo 1 Exemplo 2 Exemplo 3 Exemplo 4 Exemplo 5 Exemplo 6
Estrutura - A C B A E G
Área projetada (Ap) mm2 60000 60000 60000 60000 17663 60000
Área de levantamento real do plano de projeção (As) mm2 72060 72060 61381 139680 51180 139680
Razão (As)/ (Ap) - 1,17 1,17 1,02 2,33 2,90 2,33
Teor em volume do laminado na porção saliente % em vol 100 100 90 100 80 80
Variação no teor em volume das segundas fibras de reforço % 5 5 2 2 8 10
Razão no comprimento de fibra médio em massa entre as segundas fibras de reforço e as primeiras fibras de reforço (Ls/ Lc) - 8,3 8,3 8,3 1,7 1,7 100
Tabela 5
Exemplo 7 Exemplo 8 Exemplo Comparativo 1 Exemplo Comparativo 2 Exemplo Comparativo 3 Exemplo Comparativo 4
Estrutura - D F H A F E
Angulo médio de orientação da fibra em termos de espessura das primeiras fibras de reforço o 12 5 3 8 5 20
Laminado - D B C C F E
Ângulo médio de orientação da fibra em termos de espessura das segundas fibras de reforço o 1 5 0 0 10 10
Disposição na estrutura compósita - [L/ S/ L] [L/ S/ L] [L/ S/ L] [L/ S/ L] [L/ S/ L] [L/ S/ L]
Forma - Folha Folha Folha Folha Folha Folha
Forma de porção saliente - Nervura Nervura Nervura Protuberância Nervura Nervura
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Exemplo 7 Exemplo 8 Exemplo Comparativo 1 Exemplo Comparativo 2 Exemplo Comparativo 3 Exemplo Comparativo 4
Estrutura - D F H A F E
Área projetada (Ap) mm2 60000 60000 60000 60000 60000 60000
Área de levantamento real do plano de projeção (As) mm2 72060 72060 72060 61381 72060 72060
Razão (As)/ (Ap) - 1,17 1,17 1,17 1,02 1,17 1,17
Teor em volume do laminado na porção saliente % em vol 60 100 30 30 60 40
Variação no teor em volume das segundas fibras de reforço % 10 10 Imensurável Imensurável 20 15
Relação no comprimento de fibra médio em massa entre as segundas fibras de reforço e as primeiras fibras de reforço (Ls/ Lç) - 8,3 0,6 Imensurável Imensurável 10,0 8,3
[00130] Na coluna “Disposição na estrutura compósita” da tabela, “L” representa um laminado e “S” representa uma estrutura.
Aplicabilidade Industrial [00131] De acordo com a presente invenção, é possível fornecer uma estrutura compósita que tenha uma excelente moldabilidade e leveza e que também tenha uma excelente rigidez à flexão.
Descrição dos Sinais de Referência
1, 1 A, 1B: estrutura compósita
2: primeira resina
3: primeira fibra de reforço
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4: espaço vazio
5, 5B: Estrutura
6-1,6-2: Laminado (sem fibra de reforço mostrada)
7: nervura (porção saliente)
7A: protuberância (porção saliente)
7B: porção saliente
8a, 8b, 8c, 8d: Flexão

Claims (15)

1. ESTRUTURA COMPÓSITA, caracterizada pelo fato de que compreende uma estrutura que contém primeiras fibras de reforço e primeira resina e um laminado que está disposto sobre pelo menos uma superfície da estrutura e tem uma pluralidade de camadas contendo segundas fibras de reforço e segunda resina, com a estrutura e o laminado integrados, as primeiras fibras de reforço sendo fibras descontínuas e com um ângulo de orientação médio das fibras na faixa de 5 a 60°, as segundas fibras de reforço sendo fibras descontínuas e com um ângulo médio de orientação da fibra em termos de espessura na faixa de 0 a 5o na camada mais próxima da estrutura, a estrutura tendo uma densidade na faixa de 0,01 a 1 g/ cm3, o laminado tendo uma variação no teor em volume das segundas fibras de reforço em uma faixa de 0 a 10%, e a estrutura compósita tendo uma porção saliente sobre a superfície do laminado oposta à superfície do laminado em contato com a estrutura.
2. ESTRUTURA COMPÓSITA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que tem uma razão (As)/ (Ap) em uma faixa de mais de 1 e 2,5 ou menos entre uma área projetada (Ap) de uma superfície (referida como um plano de projeção) tendo a porção protuberante e uma área de levantamento real do plano de projeção (As).
3. ESTRUTURA COMPÓSITA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizada pelo fato de que a porção saliente é uma nervura e/ ou uma protuberância.
4. ESTRUTURA COMPÓSITA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que a porção saliente
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2/4 contém o laminado em uma proporção de 80% em volume ou mais e 100% em volume ou menos.
5. ESTRUTURA COMPÓSITA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que uma razão Ls/ Lc está na faixa de 1 a 50, com um comprimento de fibra médio em massa das segundas fibras de reforço definido como Ls e um comprimento de fibra médio em massa das primeiras fibras de reforço definido como Lc.
6. ESTRUTURA COMPÓSITA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de que cada camada no laminado tem substancialmente todas as suas segundas fibras de reforço divididas por um corte e as segundas fibras de reforço divididas pelo corte têm um comprimento de fibra médio em massa Ls em uma faixa de 10 a 100 mm.
7. ESTRUTURA COMPÓSITA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizada pelo fato de que o laminado tem um ângulo em uma faixa de 4o ou mais e 90° ou menos entre uma direção de orientação das segundas fibras de reforço em uma camada e uma direção de orientação das segundas fibras de reforço em outra camada adjacente a uma camada.
8. ESTRUTURA COMPÓSITA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 7, caracterizada pelo fato de que cada camada no laminado tem um valor absoluto de um ângulo Θ entre o corte e as segundas fibras de reforço de 2 a 25°.
9. ESTRUTURA COMPÓSITA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizada pelo fato de que cada camada no laminado tem um teor em volume de fibra das segundas fibras de reforço Vf em uma faixa de 45 a 65%.
10. ESTRUTURA COMPÓSITA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizada pelo fato de que cada camada no
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3/4 laminado contém fibras de carbono como as segundas fibras de reforço e resina termoendurecida como a segunda resina.
11. ESTRUTURA COMPÓSITA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizada pelo fato de que as primeiras fibras de reforço na estrutura têm um comprimento de fibra médio em massa de 1 a 15 mm.
12. ESTRUTURA COMPÓSITA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizada pelo fato de que a estrutura contém espaços vazios e a estrutura tem um teor em volume das primeiras fibras de reforço em uma faixa de 0,5% em volume ou mais e 55% em volume ou menos, um teor em volume da primeira resina em uma faixa de 2,5% em volume ou mais e 85% em volume ou menos, e um teor em volume dos espaços vazios em uma faixa de 10% em volume ou mais e 97% em volume ou menos.
13. ESTRUTURA COMPÓSITA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizada pelo fato de que a estrutura tem uma rigidez à flexão específica em uma faixa de 3 ou mais e 20 ou menos, a rigidez à flexão específica sendo representada por Ec1/3· p_1 com um módulo de flexão definido como Ec e uma densidade definida como p, e a estrutura tem um módulo de flexão Ec de 3 GPa ou mais.
14. ESTRUTURA COMPÓSITA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizada pelo fato de que a estrutura contém fibras de carbono como as primeiras fibras de reforço e termoplástico como a primeira resina.
15. MÉTODO PARA FABRICAR A ESTRUTURA COMPÓSITA, conforme definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 14,
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4/4 caracterizado pelo fato de que o método compreende pelo menos as seguintes etapas 1,2 e 3, nesta ordem:
etapa 1: laminar um precursor laminado sobre pelo menos uma superfície de um precursor de estrutura para formar uma estrutura laminada, o precursor de estrutura contendo termoplástico como primeira resina e primeiras fibras de reforço e substancialmente não contendo espaços vazios e o precursor de laminado contendo resina termoendurecida como segunda resina e segundas fibras de reforço;
etapa 2: dispor a estrutura laminada em moldes tendo uma forma de flexão, uma forma irregular ou uma forma de nervura em pelo menos uma direção de laminação da estrutura laminada e curar a resina termoendurecida para formar um precursor de estrutura de compósito enquanto se molda o precursor laminado em forma por aquecimento e prensagem; e etapa 3: ajustar a espessura do precursor de estrutura de compósito enquanto derrete ou amolece o termoplástico, para expandir o precursor de estrutura e assim formar uma estrutura.
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