BR112019020988A2 - fibras de reforço com rigidez aprimorada - Google Patents

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Abstract

trata-se de uma fibra de reforço enrijecida que inclui um tratamento de superfície disposto na mesma. o tratamento de superfície compreende pelo menos um formador de filme. a fibra de reforço enrijecida tem uma rigidez que é pelo menos 50% mais alta que uma outra fibra de reforço idêntica que não foi tratada em superfície.

Description

“FIBRAS DE REFORÇO COM RIGIDEZ APRIMORADA”
PEDIDOS RELACIONADOS [001] Este pedido reivindica a prioridade para e todos os benefícios do Pedido de patente provisório US ns de série 62/482.682, depositado em 6 de abril de 2017, para REINFORCEMENT FIBERS WITH IMPROVED STIFFNESS, cuja revelação integral está completamente incorporada no presente documento a título de referência.
ANTECEDENTES [002] Os materiais compósitos reforçados por fibra consistem em fibras embutidas em ou aderidas a um material de matriz com interfaces distintas entre os materiais. Em geral, as fibras são os membros de transporte de carga, enquanto a matriz circundante mantém as fibras nas localização e orientação desejadas, atua como um meio de transferência de carga, e protege as fibras contra dano ambiental. Tipos comuns de fibras em uso comercial atualmente incluem vários tipos de fibras de vidro, carbono e sintéticas.
[003] As fibras de carbono apresentam dificuldades de processamento em muitas aplicações, que podem levar à fabricação de produto mais lenta e mais dispendiosa. Por exemplo, as fibras de carbono tendem a estarem limpas, carecendo de rigidez inerente, o que causa dificuldade no corte das fibras. As fibras de carbono têm adicionalmente baixa resistência à abrasão e, assim, geram prontamente felpa ou fios quebrados e podem liberar material particulado no ar durante aplicações de processamento a jusante. Adicionalmente, devido pelo menos em parte à sua natureza hidrofóbica, as fibras de carbono não fazem interface ou se molham (isto é, aceitam e mantêm um revestimento aquoso) tão facilmente quanto outras fibras de reforço, como fibras de vidro, em matrizes de resina tradicionais. A molhagem se refere à capacidade da resina em se espalhar uniformemente sobre e se aderirem à superfície da fibra.
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2/24 [004] Assim, é desejável aprimorar a processabilidade de fibras de reforço, como fibras de carbono, para aprimorar fabricação de produto a jusante.
SUMÁRIO [005] De acordo com vários aspectos dos conceitos inventivos gerais, é fornecida uma fibra de reforço que inclui um tratamento de superfície disposto na mesma. O tratamento de superfície compreende pelo menos um formador de filme. A fibra de reforço tem uma rigidez que é pelo menos 50% mais alta que uma outra fibra de reforço idêntica que não foi tratada em superfície.
[006] Em algumas modalidades exemplificativas, o formador de filme inclui polivinilpirrolidona. Em algumas modalidades exemplificativas, a polivinilpirrolidona tem um peso molecular de 1.000.000 a 1.700.000.
[007] Em algumas modalidades exemplificativas, a fibra de reforço compreende carbono.
[008] Em algumas modalidades exemplificativas, a fibra de reforço de superfície tratada tem uma rigidez que é pelo menos 80% mais alta que uma outra fibra de reforço idêntica que não foi tratada em superfície.
[009] De acordo com vários aspectos dos conceitos inventivos gerais, é fornecida uma fibra de reforço que tem um tratamento de superfície disposto na mesma que compreende cerca de 0,5 a cerca de 3,0% em peso de sólidos ativos. A fibra de reforço tem uma rigidez que é pelo menos 50% mais alta que uma outra fibra de reforço idêntica que não foi tratada em superfície.
[010] De acordo com vários aspectos dos conceitos inventivos gerais, é fornecido um feixe de fibra de carbono enrijecida. O feixe de fibra de carbono enrijecida compreende não mais que 15.000 filamentos e tem um tratamento de superfície revestido no mesmo. O feixe de fibra de carbono enrijecida tem uma rigidez que é pelo
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3/24 menos 50% mais alta que um outro feixe de fibra de carbono idêntico que não inclui o tratamento de superfície. Em algumas modalidades exemplificativas, o feixe de fibra de carbono compreende não mais que 12.000 filamentos, ou entre cerca de 1.000 e cerca de 6.000 filamentos.
[011] De acordo com vários aspectos dos conceitos inventivos gerais, é fornecida uma fita de fibra de carbono enrijecida, em que a fita de fibra de carbono enrijecida compreende pelo menos 24.000 filamentos. A fita de fibra de carbono enrijecida tem um tratamento de superfície disposto na mesma que compreende cerca de 0,5 a cerca de 3,0% em peso de sólidos ativos. A fita de fibra de carbono enrijecida tem uma rigidez que é pelo menos 50% mais alta que uma outra fita de fibra de carbono idêntica que não inclui o tratamento de superfície.
[012] De acordo com vários aspectos dos conceitos inventivos gerais, é fornecido um método para aumentar a rigidez de uma fibra de reforço. O método inclui aplicar um tratamento de superfície às fibras de reforço que compreende um ou mais dentre uma composição de revestimento, tratamento com calor e exposição à umidade. O tratamento de superfície aumenta a rigidez da fibra de reforço em pelo menos 50% em comparação com uma outra fibra de reforço idêntica que não foi tratada em superfície.
[013] Em algumas modalidades exemplificativas, a fibra de reforço compreende pelo menos um dentre fibras de vidro, carbono, aramida, poliésteres, poliolefinas, poliamidas, carbeto de silício (SiC) e nitreto de boro.
[014] De acordo com vários aspectos dos conceitos inventivos gerais, é fornecido um compósito reforçado com fibra. O compósito reforçado com fibra inclui uma pluralidade de fibras de reforço enrijecidas que têm um tratamento de superfície disposto nas mesmas e um material de resina polimérica. As fibras de reforço enrijecida
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4/24 têm uma rigidez que é pelo menos 50% mais alta que uma outra fibra de reforço idêntica que não foi tratada em superfície.
[015] De acordo com aspectos adicionais dos conceitos inventivos gerais, é fornecida uma composição de revestimento que compreende que inclui cerca de 0,5 a menos que 5,0% em peso de sólidos de um formador de filme que compreende um ou mais dentre polivinilpirrolidona, acetato de polivinila, poliuretano e epóxi. A composição de revestimento inclui adicionalmente pelo menos um agente de compatibilização que compreende um ou mais dentre um agente de acoplamento à base de silicone, um agente de acoplamento de titanato e um agente de acoplamento de zirconato. A composição de revestimento tem um teor total de sólidos de não mais que 5% em peso.
DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [016] Vários aspectos dos conceitos inventivos gerais serão mais prontamente entendidos a partir da descrição de certas modalidades exemplificativas fornecidas abaixo e conforme ilustrado nos desenhos em anexo.
[017] A Figura 1 ilustra os resultados de um “teste de caimento” realizado em várias fibras de reforço.
[018] A Figura 2 ilustra graficamente a faixa de rigidez alcançada por fibra de carbono com superfície tratada (tanto fita quanto cordão trançado de múltiplas extremidades), em comparação com uma outra fita de fibra de carbono não tratada idêntica.
[019] A Figura 3 ilustra graficamente a faixa de rigidez alcançada por cordão trançado de fibra de vidro de múltiplas extremidades de superfície tratada, em comparação com um outro cordão trançado de fibra de vidro de múltiplas extremidades não tratada.
DESCRIÇÃO DETALHADA
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5/24 [020] Embora os conceitos inventivos gerais sejam suscetíveis de modalidade em muitas formas diferentes, são mostradas nos desenhos e serão descritas no presente documento em detalhes modalidades específicas dos mesmos com o entendimento de que a presente revelação deve ser considerada como uma exemplificação dos princípios dos conceitos inventivos gerais. Consequentemente, os conceitos inventivos gerais não pretendem ser limitados às modalidades específicas ilustradas no presente documento.
[021] Salvo se definido de outro modo, os termos usados no presente documento têm o mesmo significado que o comumente entendido por um elemento de conhecimento comum na técnica que abrange os conceitos inventivos gerais. A terminologia usada no presente documento serve para descreve apenas modalidades exemplificativas dos conceitos inventivos gerais e não pretende ser limitante dos conceitos inventivos gerais. Conforme usado no presente documento, as formas singulares um, uma e o(a) se destinam a incluir também as formas plurais, salvo se o contexto indicar claramente de outro modo. O termo “cerca de” significa dentro de +/10% de um valor, ou com mais preferência, dentro de +/- 5% de um valor, e com máxima preferência dentro de +/-1 % de um valor.
[022] Conforme usado no presente documento, o termo “molhagem” se refere à capacidade da resina em se aderir a e se espalhar uniformemente sobre e se aderir à superfície da fibra. A molhagem resulta das interações intermoleculares entre um líquido e uma superfície sólida.
[023] Conforme usado no presente documento, o termo “estopa” se refere a um grande coleção de filamentos, que são tipicamente formados simultaneamente e revestidos opcionalmente com uma composição de engomadura. Uma estopa é
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6/24 designada pelo número de filamentos de fibra que contém. Por exemplo, uma estopa de 12k contém cerca de 12.000 filamentos.
[024] Conforme usado no presente documento, o termo “cordão trançado” significa uma coleção de fios paralelos (cordão trançado montado) ou filamentos contínuos paralelos (cordão trançado direto) montado sem torção intencional. Um cordão trançado inclui tanto cordão trançado de extremidade única quando cordão trançado de múltiplas extremidades (“MER”). Um cordão trançado de extremidade única é um feixe único de filamentos contínuos combinados em um fio distinto. Um cordão trançado de múltiplas extremidades é constituído de uma pluralidade de fios distintos, em que cada fio que tem uma pluralidade de filamentos contínuos. A frase “contínuo”, conforme usado no presente documento em conjunto com filamentos, fios, ou cordões trançados, significa que os filamentos, fios ou cordões trançados têm, em geral, um comprimento significativo, mas não deve ser entendida como significando que o comprimento é infinito.
[025] A presente invenção se refere a métodos de conferir fibras de reforço com rigidez ajustável e aumentada, como fibras de carbono. As fibras de reforço podem incluir qualquer tipo de fibra adequado para fornecer qualidades estruturais desejáveis e, em alguns casos, também propriedades térmicas melhoradas, para um composite resultante. Tais fibras de reforço podem ser fibras orgânicas, inorgânicas ou naturais. Em algumas modalidades exemplificativas, as fibras de reforço são produzidas a partir qualquer um ou mais dentre vidro, carbono, aramida, poliésteres, poliolefinas, poliamidas, carbeto de silício (SiC), nitreto de boro e similares. Em algumas modalidades exemplificativas, as fibras de reforço incluem um ou mais dentre fibras de vidro, carbono e aramida. Em algumas modalidades exemplificativas, as fibras de reforço são fibras de carbono. Deve ser observado que, embora o presente pedido
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7/24 frequentemente se refira às fibras de reforço como fibras de carbono, as fibras de reforço não são limitadas a isso e podem, alternativa ou adicionalmente, compreender qualquer um das fibras de reforço descritas no presente documento ou, de outro modo, conhecidas na técnica (atualmente ou no futuro).
[026] As fibras de carbono são, em geral, fibras condutoras hidrofóbicas que têm alta resistência à tração, alta tolerância à temperatura e baixa expansão térmica, e são, em geral, leves, tornando-as populares na formação de compósitos reforçados. Entretanto, as fibras de carbono podem provocar dificuldades de processamento, levando à fabricação de produto mais lenta e mais dispendiosa. Por exemplo, as fibras de carbono convencionais tipicamente caem e se curvam para baixo devido à gravidade quando mantidas paralelas ao solo. Devido a essa falta de rigidez, as fibras são difíceis de cortar e utilizam em processos de fabricação a montante. Problemas adicionais incluem a tendência de as fibras se romperem e/ou desfiarem durante os movimentos de esfregação, puxamento e espalhamento que ocorrem durante o processamento. Tais ruptura e desfiadura podem levar à liberação de partículas na atmosfera e a formação de “felpa” nas fibras. Além das dificuldades de processamento, as fibras de carbono são hidrofóbicas e tendem a aglomerar, tornando-as mais difíceis de molhar que as fibras de vidro hidrofóbicas em matrizes tradicionais.
[027] As fibras de carbono podem ser turbostráticas ou grafíticas, ou têm uma estrutura híbrida tanto com partes turbostráticas quanto grafíticas presentes, dependendo do precursor usado para produzir as fibras. Em fibras de carbono turbostráticas, as folhas de átomos de carbono são casualmente dobradas ou amassadas juntas. As fibras de carbono derivadas de poliacrilonitrila (PAN) são turbostráticas, enquanto que as fibras de carbono derivadas de piche mesofase são grafíticas após tratamento com calor em temperaturas que excedem 2.200 °C. Em
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8/24 algumas modalidades exemplificativas, as fibras de carbono da presente invenção são derivadas de PAN.
[028] Em algumas modalidades exemplificativas, as fibras de reforço da presente invenção são revestidas com uma composição de engomadura para proteger as fibras durante o manuseio, aprimorar as propriedades mecânicas e/ou promover estabilidade hidrolítica e térmica. Uma composição de engomadura também pode formar grupos funcionais de superfície para promover adesão química aprimorada e mistura homogênea dentro de uma matriz polimérica. A mistura homogênea das fibras ou “molhagem” dentro de uma material de matriz polimérica é uma medida de quão bem o material de reforço é encapsulado pela matriz polimérica. É desejável ter as fibras de reforço completamente molhadas sem fibras secas. A molhagem incompleta durante esse processamento inicial pode afetar adversamente o processamento subsequente assim como as características de superfície do compósito final.
[029] A composição de engomadura pode ser aplicada às fibras de reforço em qualquer momento durante o processo de formação de fibra (por exemplo, antes da embalagem ou do armazenamento das fibras formadas) em uma quantidade de cerca de 0,5% a cerca de 5% em peso de sólidos de uma fibra, ou de cerca de 1,0% a cerca de 2,0% em peso de sólidos da fibra. Alternativamente, as fibras podem ser revestidas com a composição de engomadura após as fibras terem sido formadas (por exemplo, após as fibras terem sido embaladas ou armazenadas). Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de engomadura é uma composição de base aquosa, como uma suspensão ou emulsão. A composição de engomadura pode compreender pelo menos um formador de filme. O formador de filme mantém filamentos individuais juntos para auxiliar na formação das fibras e proteger os filamentos contra dano provocado por abrasão incluindo, mas sem limitação a, abrasão interfilamento. Os
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9/24 formadores de filme aceitáveis incluem, por exemplo, acetatos de polivinila, poliuretanos, poliolefinas modificadas, poliésteres, epóxidos e misturas dos mesmos. O formador de filme também ajuda a melhorar as características de adesão das fibras de reforço com vários sistemas de resina. Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de engomadura ajuda a compatibilizar as fibras de reforço com uma resina epóxi, poliuretano, poliéster, náilon, fenólica e/ou de éster vinílico.
[030] Em referência especificamente a fibras de carbono, tais fibras são frequentemente supridas na forma de uma estopa contínua enrolada em uma bobina. Cada filamento de carbono na estopa é um cilindro contínuo com um diâmetro de cerca de 5 pm a cerca de 10 pm. As estopas de carbono se encontram em uma ampla variedade de tamanhos, de 1 k, 3k, 6k, 12k, 24k, 50k, a mais que 50k, etc. O valor k indica o número de filamentos de carbono individuais dentro da estopa. Por exemplo, uma estopa de 12k consiste em cerca de 12.000 filamentos de carbono, enquanto uma estopa de 50k consiste em cerca de 50.000 filamentos de carbono.
[031] Para obter estopas finas (por exemplo, 12k ou menor), o carbono precisa ser fabricado como uma estopa de carbono fina ou uma estopa de carbono maior precisa ser dividida para reduzir sua contagem de filamento. A divisão de uma estopa com alto teor de carbono (por exemplo, 24k, 50k ou maior) em divisões menores (por exemplo, menos que 12k) facilita o fornecimento de melhor impregnação com resina e melhor dispersão quando a estopa é processada.
[032] Em algumas modalidades exemplificativas, a estopa de fibra de carbono pode ser espalhada para dissociar filamentos de carbono individuais e começar a criar uma pluralidade de feixes mais finos. As fibras de carbono espalhadas podem, então, ser puxadas sob tensão para manter espalhamento consistente e para aumentar adicionalmente o espalhamento entre as fibras. Por exemplo, uma pluralidade de fibras
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10/24 de carbono que tem larguras de cerca de 3/8” a cerca de 1/2” pode ser puxada ao longo de uma variedade de roletes sob tensão para formar espalhamentos entre cerca de 3ΖΓ a cerca de 1 1/2 ”. Os ângulos e o raio dos roletes devem ser definidos para manter uma tensão que não é muito alta, que reuniría novamente as fibras espalhadas.
[033] Foi descoberto que o tratamento de superfície de fibras de reforço em qualquer momento durante a formação ou o processamento de fibras de reforço funciona para aumentar a rigidez e aprimorar a processabilidade das fibras. O tratamento de superfície pode ser aplicado no momento de formação de fibra de reforço, como quando PAN é convertido na fibra de carbono. Alternativa ou adicionalmente, o tratamento de superfície pode ser aplicado após a fibra de reforço ser engomada com uma composição de engomadura e pelo menos parcialmente curada. Alternativa ou adicionalmente, o tratamento de superfície pode ser aplicado após as fibras de reforço serem adicionalmente processadas, como após as fibras de carbono serem espalhadas e/ou divididas em feixes de fibra menores.
[034] Conforme usado no presente documento, o tratamento de superfície pode ocorrer em muitas formas, como uma composição de revestimento. As composições de revestimento exemplificativas são reveladas no documento PCT/US16/55936, cuja revelação é incorporada no presente documento a título de referência em sua totalidade. O tratamento de superfície pode compreender adicionalmente um tratamento com calor, que trabalha para facilitar a reticulação de química presente nas fibras a partir de antes da aplicação de uma composição de engomadura. Em algumas modalidades exemplificativas, o tratamento com calor ocorre através da passagem das fibras sobre um rolete aquecido ou pelo uso de ar aquecido, como um forno. Em algumas modalidades exemplificativas, o tratamento de superfície compreende expor uma fibra que tem uma composição de engomadura anteriormente revestida na mesma
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11/24 a um ambiente de alta umidade, através do que pela adição de umidade, a química presente nas fibras forma reticulações. Em outras modalidades exemplificativas, o tratamento de superfície pode incluir um tratamento físico e/ou um tratamento plasmático.
[035] Em algumas modalidades exemplificativas, o tratamento de superfície é uma composição de revestimento aquosa que compreende cerca de 2,5% em peso a cerca de 5,0% em peso de sólidos, ou de cerca de 3,0% em peso a cerca de 4,5% em peso de sólidos, ou de cerca de 3,5% em peso a cerca de 4,0% em peso de sólidos, com base no teor total de sólidos da composição aquosa. Uma vez aplicada às fibras, a composição de revestimento tem um teor de sólidos de cerca de 0,1% em peso a cerca de 5,0% em peso, ou em uma quantidade de cerca de 0,5% em peso a cerca de 2,0% em peso de sólidos de fio ativo, ou de cerca de 0,5% em peso a cerca de 1,0% em peso sólidos de fio ativo.
[036] Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de revestimento aquosa compreende pelo menos um formador de filme. Por exemplo, a composição de revestimento pode compreender um ou mais dentre polivinilpirrolidona (PVP), acetato de polivinila (PVA), poliuretano (PU) e epóxi como um agente de formação de filme.
[037] A polivinilpirrolidona existe em vários graus de peso molecular caracterizados pelo valor K. Por exemplo, e sem limitação, PVP K-12 tem um peso molecular de cerca de 4.000 a cerca de 6.000; PVP K-15 tem um peso molecular de cerca de 6.000 a cerca de 15.000; PVP K-30 tem um peso molecular de cerca de 40.000 a cerca de 80.000; e PVP K-90 tem um peso molecular de cerca de 1.000.000 a cerca de 1.700.000. Em algumas modalidades exemplificativas, o formador de filme compreende PVP K-90.
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12/24 [038] O formador de filme pode estar presente na composição de revestimento em uma quantidade de cerca de 0,5% em peso a cerca de 5,0% em peso, ou de cerca de 1,0% em peso a cerca de 4,75% em peso, ou de cerca de 3,0% em peso a cerca de 4,0% em peso, com base no teor total de sólidos da composição aquosa. Uma vez aplicado aos fios de fibra, o formador de filme pode estar presente em uma quantidade de cerca de 0,1% em peso a cerca de 2,0% em peso de sólidos de fio, ou cerca de 0,3% em peso a cerca de 0,6 % em peso de sólidos de fio.
[039] Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de revestimento inclui adicionalmente um agente de compatibilização. Um agente de compatibilização pode fornecer uma variedade de funções sinergicamente entre o formador de filme, a fibra de reforço (por exemplo, carbono) e uma interface de resina. Em algumas modalidades exemplificativas, o agente de compatibilização compreende um agente de acoplamento, como um agente de acoplamento à base de silicone (por exemplo, agentes de acoplamento de silano), um agente de acoplamento de titanato ou um agente de acoplamento de zirconato. Os agentes de acoplamento de silano são convencionalmente usados em composições de engomadura para substratos inorgânicos que têm grupos hidroxila que podem reagir com os grupos reativos contendo silano. Embora tais agentes de acoplamento tenham sido tradicionalmente usados em composições de engomadura para fibras de vidro, óxidos e carbonatos de metal alcalino não formam ligações estáveis com Si-O. Entretanto, foi surpreendentemente constatado que a utilização de tais agentes de acoplamento na presente composição de tratamento de superfície não funciona, de fato, para melhorar a adesão dos polímeros formadores de filme às fibras que não são de vidro (isto é, carbono) e reduz o nível de felpa, ou filamentos de fibra quebrados, durante processamento e divisão subsequentes. Os exemplos de agentes de acoplamento de
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13/24 silano, que podem ser adequados para uso na composição de revestimento, incluem aqueles caracterizados pelos grupos funcionais acrila, alquila, amino, epóxi, vinila, azido, ureído e isocianato.
[040] Os agentes de acoplamento de silano adequados para uso na composição de revestimento incluem, mas não são limitados a, γaminopropiltrietoxissilano (A-1100), n-trimetoxi-silil-propil-etileno-diamina (A-1120), γmetacriloxipropiltrimetoxissilano (A-174), γ-glicidoxipropiltrimetoxissilano (A-187), metiltriclorossilano (A-154), metil-trimetoxissilano (A-163), γ-mercaptopropil-trimetoxisilano:(A-189), bis-(3-[trietoxisilil]propil)tetrassulfano (A-1289), γ-cloropropil-trimetoxisilano (A-143), vinil-trietoxi-silano (A-151), vinil-tris-(2-metoxietoxi)silano (A-172), vinilmetildimetoxissilano (A-2171), vinil-triacetoxi silano (A-188), octiltrietoxissilano (A137), metiltrietoxissilano (A-162), poliazamida silano (A-1387) e gamaureidopropiltrialcoxissilano (A-1160).
[041] Em algumas modalidades exemplificativas, o agente de compatibilização compreende uma mistura de dois ou mais agentes de acoplamento de silano. Por exemplo, o agente de compatibilização pode incluir uma mistura de aminopropiltrietoxissilano (A-1100) e um ou mais dentre metil-trimetoxissilano (A-163) e γ-metacriloxipropiltrimetoxissilano (A-174). Em algumas modalidades exemplificativas, o agente de compatibilização inclui um ou mais dentre poliazamida silano (A-1387) e gama-ureidopropiltrialcoxissilano (A-1160).
[042] Em alguns casos, o agente de compatibilização inclui A-1100 e A-163 em uma razão de cerca de 1:1 a cerca de 3:1. Em alguns casos, o agente de compatibilização inclui A-1100 e A-174 em uma razão de cerca de 1:1 a cerca de 3:1.
[043] Em algumas modalidades exemplificativas, o agente de compatibilização compreende um dialdeído orgânico. Os dialdeídos exemplificativos incluem dialdeído
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14/24 glutérico, glicoxal, malondialdeído, succidialdeído, ftalaldeído e similares. Em algumas modalidades exemplificativas, o dialdeído orgânico é dialdeído glutérico.
[044] Em algumas modalidades exemplificativas, o agente de compatibilização compreende um ou mais agentes antiestáticos, como um agente antiestático de amônio quaternário. O agentes antiestático de amônio quaternário pode compreender sulfato de trietilalquileteramônio, que é um sal de trialquilalquileteramônio com grupos trialquila, 1 a 3 átomos de carbono, grupo alquiléter com grupo alquila de 4 a 18 átomos de carbono e grupo éter de óxido de etileno ou óxido de propileno. Um exemplo de um sulfato de trietilalquileteramônio é EMERSTAT 6660A.
[045] O agente de compatibilização pode estar presente na composição de revestimento em uma quantidade de cerca de 0,05% em peso a cerca de 5,0% em peso de sólidos ativos, ou em uma quantidade de cerca de 0,1% em peso a cerca de 1,0% em peso de sólidos ativos, ou de cerca de 0,2% em peso a cerca de 0,7% em peso de sólidos ativos. Em algumas modalidades exemplificativas, o agente de compatibilização está presente na composição de revestimento em uma quantidade de cerca de 0,3% em peso a cerca de 0,6% em peso de sólidos ativos.
[046] Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de revestimento tem um pH menor que cerca de 10. Em algumas modalidades exemplificativas, a composição de revestimento tem um pH entre cerca de 3 e cerca de 7, ou entre cerca de 4 e cerca de 6, ou entre cerca de 4,5 e cerca de 5,5.
[047] O excesso de composição de revestimento remanescente nas fibras pode ser removido para secar pelo menos parcialmente as fibras. As fibras podem ser secas por qualquer método conhecido ou praticado na técnica.
[048] Em algumas modalidades exemplificativas, as fibras com superfície tratada podem ser secas, como pelo puxamento das fibras através de uma secadora,
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15/24 como um forno. Em algumas modalidades exemplificativas, o forno é um forno infravermelho ou de convecção. O forno pode ser um forno sem contato, o que significa que a estopa de fibra de carbono é puxada através do forno sem entrar em contato por qualquer parte do forno. A temperatura de forno pode ser qualquer temperatura adequada para secar apropriadamente a composição de revestimento nas fibras de carbono. Em algumas modalidades exemplificativas, a temperatura de forno é de cerca de 110 SC (230 °F) a cerca de 315 SC (600 °F), ou de cerca de 148 SC (300 °F) a cerca de 260 SC (500 °F).
[049] Uma vez secas, as fibras com superfície tratada podem ser envoltas por um embobinador para produzir um pacote de fibra com alta rigidez, ou as fibras podem ser imediatamente utilizadas em um processo a jusante, como para formar composto com uma composição termoplástica em um processo de moldagem por compressão termoplástica de fibra longa, ou cortadas para uso em um processo de formação de composto, como SMC. Em algumas modalidades exemplificativas, a estopa de fibra com alta rigidez com superfície tratada é utilizada para produzir um cordão trançado montado híbrido, conforme descrito no documento PCT/US15/54584, cuja revelação é incorporada no presente documento a título de referência.
[050] Na formação de compósitos reforçados com fibra, prepregs, tecidos, não tecidos e similares, o material de resina polimérica de matriz pode compreender qualquer material termoplástico ou termoajustável adequado, como resina de poliéster, resina de éster vinílico, resina fenólica, epóxi, poli-imida e/ou estireno, e quaisquer aditivos desejados como cargas, pigmentos, estabilizantes de UV, catalisadores, iniciadores, inibidores, agentes de liberação de molde, modificadores de viscosidade e similares. Em algumas modalidades exemplificativas, o material termoajustável compreende uma resina de estireno, uma resina de poliéster insaturada ou uma resina
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16/24 de éster vinílico. Em aplicações de SMC estruturais, o filme de resina polimérica pode compreender um líquido, embora em aplicações de SMC de Classe A, a matriz de resina polimérica possa compreender uma pasta.
[051] Em algumas modalidades exemplificativas, o tratamento de superfície confere uma rigidez aumentada às fibras de reforço. Por exemplo, as fibras de reforço que foram tratadas em superfície demonstram pelo menos um aumento de 50% em rigidez, ou pelo menos um aumento de 60% em rigidez, ou pelo menos um aumento de 70% em rigidez, ou pelo menos um aumento de 80% em rigidez, ou pelo menos um aumento de 90% em rigidez, ou pelo menos um aumento de 100% em rigidez, em comparação com uma outra fibra de reforço idêntica que não foi tratada em superfície. O grau de rigidez conferido às fibras é ajustável (isto é, propriedade ajustável).
[052] Em algumas modalidades exemplificativas, o tratamento de superfície confere espessura aumentada em fibras de reforço que foram cortadas. Uma espessura de corte maior cria maior densidade de corte, o que pode impactar na capacidade das fibras cortadas em se molharem em um material de matriz de resina. Particularmente, em referência a fibras de carbono, uma estopa de fibra de carbono pode ser dividida em uma pluralidade de feixes de fibra de carbono mais finos, cada um compreendendo não mais que cerca de 15.000 (15k) filamentos de carbono. Tais estopas de fibra de carbono divididas aumentam adicionalmente a densidade da espessura de corte. Em algumas modalidades exemplificativas, os feixes de fibra de carbono compreendem menos que cerca de 12.000 filamentos de carbono, ou menos que cerca de 10.000 filamentos de carbono, ou menos que cerca de 9.000 filamentos de carbono, ou menos que cerca de 8.000 filamentos de carbono, ou menos que cerca de 7.000 filamentos de carbono, ou menos que cerca de 6.000 filamentos de carbono, ou menos que cerca de 5.000 filamentos de carbono, ou menos que cerca de 4.000 filamentos de carbono, ou menos
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17/24 que cerca de 3.000 filamentos de carbono, ou menos que cerca de 2.000 filamentos de carbono, ou menos que cerca de 1.000 filamentos de carbono. Em algumas modalidades exemplificativas, a estopa de fibra de carbono compreende de cerca de 1.000 a cerca de 12.000 filamentos de carbono, ou de cerca de 2.000 a cerca de 6.000 filamentos de carbono, ou de cerca de 2.000 a cerca de 3.000 filamentos de carbono. Os feixes de fibra de carbono têm um diâmetro de cerca de 0,5 mm a cerca de 4,0 mm, ou cerca de 1,0 mm a cerca de 3,0 mm.
[053] Em algumas modalidades exemplificativas, o tratamento de superfície aprimora a compatibilidade das fibras de reforço com um material de matriz de resina polimérica para produção de compósito. A compatibilização das fibras de carbono com um material de matriz permite que as fibras de carbono fluam e se molhem apropriadamente, formando uma dispersão substancialmente homogênea de fibras de carbono dentro do material de matriz polimérica. O tratamento de superfície também confere coesão aumentada, o que permite o corte aprimorado das fibras e a molhagem aprimorada no processo de consolidação.
[054] Além disso, o tratamento de superfície aprimora a capacidade de processar uma estopa de fibra de carbono ao reduzir o desenvolvimento de felpa, ruptura de fibra e/ou desfiadura de fibra, em comparação com outras fibras de carbono idênticas que são apenas revestidas com a composição de engomadura. Quando as fibras de carbono são cortadas para processamento a jusante, a formação de felpa trabalha contra a dispersão das fibras cortadas em um material de matriz. Consequentemente, ao tratar a superfície das fibras de carbono, a formação de felpa é reduzida, o que aprimora a dispersão de fibra.
[055] Conforme mencionado acima, foi constatado que o tratamento de superfície pode ser ajustado para “adequar” as propriedades particulares alcançadas
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18/24 pelas fibras tratadas. Por exemplo, o tratamento de superfície pode ser ajustado para aumentar ou diminuir o nível de rigidez de fibra e/ou o nível de espessura. Tais ajustes incluem aumentar ou diminuir o teor de sólidos de tratamento de superfície (LOI), expor as fibras com superfície tratada a temperaturas variadas em velocidades variadas, ajustar o teor de umidade das fibras com superfície tratada, ajustar o ângulo de pontos de contato que as fibras se encontram, alterar o tipo de tratamento de superfície particular aplicado às fibras e/ou combinar vários tratamentos de superfície.
[056] Em algumas modalidades exemplificativas, as fibras de reforço enrijecidas são utilizadas como fitas rígidas grandes (pelo menos 24k) na formação de compósito, como na formação de pás de turbina eólica. Devido ao uso dos tratamentos de superfície revelados no presente documento, as fitas de fibra rígida têm um teor de sólidos baixo (0,5% em peso a 3,0% em peso de sólidos), que leva a propriedades aprimoradas de compósito.
[057] As fibras de reforço enrijecidas podem, então, ser usadas na formação de materiais de reforço, como compósitos reforçados, prepregs, tecidos, não tecidos e similares. Em algumas modalidades exemplificativas, as fibras revestidas podem ser usadas em aplicações de composto de moldagem de folha (“SMC”), para formar um material de SMC. Em um processo de produção de SMC, uma camada de um filme polimérico, como uma pré-mistura de resina de poliéster ou resina de éster vinílico, é medida sobre uma folha carreadora plástica que inclui uma superfície não aderente. As fibras de reforço são, então, depositadas sobre o filme polimérico e uma segunda folha carreadora não aderente contendo uma segunda camada de filme polimérico é posicionada sobre a primeira folha de modo que o segundo filme polimérico entre em contato com as fibras de reforço e forme um material ensanduichado. Esse material ensanduichado é, então, amassado para distribuir a matriz de resina polimérica e feixes
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19/24 de fibra por todo o material de SMC resultante, que pode, então, ser laminado para uso posterior em um processo de moldagem.
[058] Na produção de compostos de SMC, é desejável que o material de reforço entre em contato de modo homogêneo e se misture dentro do material de matriz polimérica. Uma medida dessa mistura homogênea é chamada de molhagem, que é uma medida de quão bem o material de reforço é encapsulado pelo material de resina de matriz. É desejável ter o material de reforço completamente molhado sem fibras secas. A molhagem incompleta durante esse processamento inicial pode afetar adversamente o processamento subsequente assim como as características de superfície do compósito final. Por exemplo, a molhagem deficiente pode resultar em características de moldagem deficientes do SMC, resultando em baixas resistências de compósito e defeitos de superfície na peça moldada final. O rendimento de processo de fabricação de SMC, como velocidades de linhas e produtividade, é limitado por quão bem e quão rapidamente as fibras podem ser completamente molhadas.
[059] O material de SMC pode, então, ser armazenado por 2 a 5 dias para permitir que a resina se torne espessa e mature. Durante esse tempo de maturação, o material de SMC aumenta em viscosidade dentro da faixa de cerca de 15 milhões centipoise a cerca de 40 milhões centipoise.
[060] Uma vez que o material de SMC alcançou a viscosidade-alvo, o material de SMC pode ser cortado e colocado em um molde que tem o formato desejado do produto final. O molde é aquecido para uma temperatura elevada e fechado para aumentar a pressão. Essa combinação de calor alto e pressão alta faz com que o material de SMC flua e caia do molde. A resina de matriz passa, então, por um período de maturação, onde o material continua a aumentar em viscosidade como uma forma de espessamento químico ou gelificação. As peças de compósito moldadas
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20/24 exemplificativas formadas com o uso das fibras de reforço revestidas podem incluir peças de carcaças automotivas exteriores e peças de carcaças automotivas estruturais.
[061] Em algumas modalidades exemplificativas, o material de SMC resultante tem um módulo de tração de entre cerca de 10 GPa e cerca de 35 GPa, ou de cerca de 15 GPa a cerca de 30 GPa incluindo todas as combinações e subfaixas contidas no mesmo. Em outras modalidades exemplificativas, o material de SMC resultante tem um módulo de tração de cerca de 22 GPa a cerca de 29 GPa, ou cerca de 26 GPa incluindo todas as combinações e subfaixas contidas no mesmo.
[062] Em algumas modalidades exemplificativas, o material de SMC resultante tem uma resistência à tração de entre cerca de 50 MPa e cerca de 300 MPa, ou de cerca de 100 a cerca de 250 MPa, incluindo todas as combinações e subfaixas contidas no mesmo. Em outras modalidades exemplificativas, o material de SMC resultante tem uma resistência à tração de cerca de 160 MPa e cerca de 210 MPa, ou cerca de 200 MPa, incluindo todas as combinações e subfaixas contidas no mesmo.
[063] Em algumas modalidades exemplificativas, o material de SMC resultante tem um módulo de flexão de entre cerca de 10 GPa a cerca de 40 GPa, incluindo cerca de 12 GPa a cerca de 35 GPa, cerca de 15 GPa a cerca de 30 Gpa, incluindo de cerca de 21 GPa a cerca de 26 GPa, incluindo todas as combinações e subfaixas contidas no mesmo. Em outras modalidades exemplificativas, o material de SMC resultante tem uma resistência à flexão de cerca de 200 MPa a cerca de 500 MPa, incluindo cerca de 250 MPa a cerca de 400 MPa, cerca de 300 MPa a cerca de 360 MPa, e cerca de 3200 a cerca de 345 MPa, incluindo todas as combinações e subfaixas contidas no mesmo.
[064] Mediante a descrição geral de vários aspectos dos conceitos inventivos gerais, pode ser obtida uma compreensão geral a título de referência de certos
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21/24 exemplos específicos ilustrados abaixo. Esses exemplos são fornecidos para propósitos de ilustração apenas e não se destinam a limitar, salvo se especificado de outro modo.
EXEMPLOS [065] Um “teste de caimento” foi realizado em fibras que foram tratadas com um tratamento de superfície e fibras que não foram tratadas. O tratamento de superfície foi uma composição de revestimento que incluiu um formador de filme PVP e foi aplicado em um LOI de aproximadamente 2,0%. Durante o teste de caimento, as fibras foram cortadas em um comprimento de 20 centímetros (8 polegadas). As fibras foram fixadas a um bastão de medição (por exemplo, régua) e a distância medida ao longo do eixo geométrico x foi medida. Com o uso dessa medição, uma fibra perfeitamente linear mediría 20 centímetros (8 polegadas) transversalmente, enquanto um fibra que com caimento mediría menos, devido à força de gravidade que supera a rigidez da fibra e a puxa para baixo.
[066] A Figura 1 ilustra as várias fibras de reforço que foram submetidas ao teste de caimento. Deve ser observado que, além da fita de fibra de carbono com superfície tratada, cada uma das amostras na Figura 1 foi testada após ser enrolada, de modo que uma porção da queda de rigidez possa ser atribuída ao processo de embobinamento. Conforme mostrado na Figura 1, a estopa de fibra de carbono não tratada (g) mediu cerca de 9,5 centímetros (3,75 polegadas) até a ponta horizontalmente a partir do ponto de caimento. Em contrapartida, uma estopa de fibra de carbono com superfície tratada (c) e fita de fibra de carbono com superfície tratada 50k (h) mediram cerca de 18 a 20 centímetros (7,25 a 8 polegadas), que é um aumento de 93% a 113% em rigidez. De modo similar, o cordão trançado de múltiplas extremidades de vidro com superfície tratada (f) mediu cerca de 19 a 20 centímetros (7,875 a 8 polegadas), como em comparação a um outro cordão trançado de múltiplas
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22/24 extremidades de vidro idêntico que não foi tratado em superfície (e), que mede 10 a 15 centímetros (4,25 a 6 polegadas). Isso demonstra um aumento de rigidez de 33 a 85%. Um cordão trançado montado híbrido (d) (cordão trançado de múltiplas extremidades de carbono e vidro misturado com superfície tratada) medido em cerca de 12 a 19 centímetros (4,875 a 7,5 polegadas) (vidro) e 19 a 20 centímetros (7,625 a 8,0 polegadas) (carbono com superfície tratada). Adicionalmente, cada uma dentre uma fibra de carbono 6k com superfície tratada (b) e uma estopa de fibra de carbono com superfície tratada 2k (a) mediram acima de 15 centímetros (6,0 polegadas), como em comparação com a fita de carbono não tratada (g) com uma medição de 8 centímetros (3,75 polegadas). A Tabela 1 detalha essas informações abaixo.
Tabela 1
Fibras convertidas Mínimo Máximo
(e) MER de vidro 4,25 6
(f) MER de vidro revestido* 7,875 8
(g) Fita de carbono não revestida 24k 3,75
(c) Fita de carbono revestida 7,25 8
(d) HAR
Vidro 4,875 7,5
Carbono 7,625 8
(b) Revestida/Dividida 6k 7,375 7,875
(a) Revestida/Dividida 2k 6,5 7,625
* Nota: MER de vidro revestido x-distância ajustada para representar a rigidez
[067] Conforme ilustrado na Figura 2, a fibra de carbono com superfície tratada (tanto a fibra de carbono de extremidade múltipla quanto uma fita de fibra de carbono) alcançou uma faixa de rigidez ajustável que é aprimorada em comparação à rigidez de uma outra fibra de carbono idêntica que não foi tratada em superfície (fibra de carbono “conforme recebida”).
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23/24 [068] Conforme ilustrado na Figura 3, o cordão trançado de fibra de vidro de múltiplas extremidades de superfície tratadas alcançou uma faixa de rigidez ajustável que é aumentada ao longo de uma faixa de rigidez para uma outra fibra de vidro idêntica que não foi tratada em superfície (fibra de vidro “conforme recebida”).
[069] Embora várias modalidades exemplificativas tenham sido descritas e sugeridas no presente documento, deve ser observado que muitas modificações podem ser feitas sem se afastar do espírito e do escopo dos conceitos inventivos gerais. Todas as tais modificações são destinadas a estarem incluídas no escopo da invenção, que deve ser limitado apenas pelas seguintes reivindicações.
[070] Todas as referências às limitações ou características singulares da presente revelação devem incluir a limitação ou característica plural correspondente, e vice versa, a menos que especificado o contrário ou claramente implícito de outra forma pelo contexto em que a referência é feita.
[071] Todas as combinações de método ou etapas de processo conforme usado no presente documento podem ser realizadas em qualquer ordem, a menos que especificado o contrário ou claramente implícito de outra forma pelo contexto em que a combinação referenciada é feita.
[072] Os métodos podem compreender, consistir em ou consistir essencialmente nas etapas de processo descritas no presente documento, bem como quaisquer etapas de processo opcionais ou adicionais descritas no presente documento ou úteis de outra forma.
[073] Em algumas modalidades, pode ser possível utilizar os vários conceitos inventivos em combinação entre si (por exemplo, uma ou mais dentre a primeira, segunda, etc., modalidades exemplificativas podem ser utilizadas em combinação entre si). Adicionalmente, qualquer elemento particular citado como relacionado a uma
Petição 870190099847, de 04/10/2019, pág. 34/42
24/24 modalidade particularmente revelada deve ser interpretado como disponível para uso com todas as modalidades reveladas, a menos que a incorporação do elemento particular seja contraditória aos termos expressos da modalidade. Vantagens e modificações adicionais estarão prontamente evidentes para os elementos versados na técnica. Portanto, a revelação, em seus aspectos mais amplos, não é limitada aos detalhes específicos apresentados na mesma, no aparelho representativo ou nos exemplos ilustrativos mostrados e descritos. Consequentemente, variações podem ser produzidas a partir de tais detalhes sem que se afaste do espírito ou do escopo dos conceitos inventivos gerais.

Claims (15)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Fibra de reforço CARACTERIZADA pelo fato de que compreende:
    um tratamento de superfície que tem um teor de sólidos de cerca de 2,5% em peso a cerca de 5,0% em peso, em que o dito tratamento de superfície compreende cerca de 0,5 a 5,0% em peso de pelo menos um formador de filme e pelo menos um agente de compatibilização que compreende um ou mais dentre um agente de acoplamento à base de silicone, um agente de acoplamento de titanato e um agente de acoplamento de zirconato, em que a dita fibra de reforço que tem uma rigidez que é pelo menos 50% mais alta que uma outra fibra de reforço idêntica que foi tratada em superfície.
  2. 2. Fibra de reforço, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que o dito formador de filme compreende um ou mais dentre polivinilpirrolidona (PVP), acetato de polivinila (PVA), poliuretano (PU) e epóxi.
  3. 3. Fibra de reforço, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADA pelo fato de que a dita polivinilpirrolidona tem um peso molecular de 1.000.000 a 1.700.000.
  4. 4. Fibra de reforço, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que a dita fibra de reforço compreende carbono.
  5. 5. Fibra de reforço, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que a fibra de reforço de superfície tratada tem uma rigidez que é pelo menos 80% mais alta que uma outra fibra de reforço idêntica que não foi tratada em superfície.
  6. 6. Fibra de reforço que tem um tratamento de superfície disposto na mesma, CARACTERIZADA pelo fato de que o dito tratamento de superfície compreende cerca de 0,5 a cerca de 3,0% em peso de sólidos ativos e em que a dita fibra de reforço tem uma rigidez que é pelo menos 50% mais alta que uma outra fibra de reforço idêntica que não foi tratada em superfície.
  7. 7. Feixe de fibra de carbono enrijecida CARACTERIZADO pelo fato de que compreende:
    Petição 870190099847, de 04/10/2019, pág. 36/42
    2/3 um feixe de fibra de carbono que compreende não mais que 15.000 filamentos, em que o dito feixe de fibra de carbono tem um tratamento de superfície revestido no mesmo, em que o dito feixe de fibra de carbono enrijecida tem uma rigidez que é pelo menos 50% mais alta que um outro feixe de fibra de carbono idêntico que não inclui o tratamento de superfície.
  8. 8. Feixe de fibra de carbono enrijecida, de acordo com a reivindicação 7, em que o dito feixe de fibra de carbono compreende não mais que 12.000 filamentos.
  9. 9. Feixe de fibra de carbono enrijecida, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato de que o dito feixe de fibra de carbono compreende entre cerca de 1.000 e cerca de 6.000 filamentos.
  10. 10. Fita de fibra de carbono enrijecida CARACTERIZADA pelo fato de que compreende:
    uma fita de fibra de carbono que compreende pelo menos 24.000 filamentos, em que a dita fita de fibra de carbono tem um tratamento de superfície disposto na mesma, em que o dito tratamento de superfície compreende cerca de 0,5 a cerca de 3,0% em peso de sólidos ativos e a dita fita de fibra de carbono enrijecida tem uma rigidez que é pelo menos 50% mais alta que uma outra fita de fibra de carbono idêntica que não inclui o tratamento de superfície.
  11. 11. Método para aumentar a rigidez de uma fibra de reforço, em que o dito método é CARACTERIZADO pelo fato de que compreende:
    aplicar um tratamento de superfície às fibras de reforço, em que o dito tratamento de superfície compreende um ou mais dentre uma composição de revestimento, tratamento com calor e exposição à umidade, em que o dito tratamento de superfície aumenta a rigidez da fibra de reforço em pelo menos 50% em comparação com uma outra fibra de reforço idêntica que não foi tratada em superfície.
  12. 12. Método, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADO pelo fato de que a dita fibra de reforço compreende pelo menos uma dentre fibras de vidro,
    Petição 870190099847, de 04/10/2019, pág. 37/42
    3/3 carbono, aramida, poliésteres, poliolefinas, poliamidas, carbeto de silício (SiC) e nitreto de boro.
  13. 13. Método, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de que as ditas fibras de reforço são fibras de carbono.
  14. 14. Compósito reforçado com fibra CARACTERIZADO pelo fato de que compreende:
    uma pluralidade de fibras de reforço enrijecidas que têm um tratamento de superfície disposto nas mesmas; e um material de resina polimérica, em que as ditas fibras de reforço enrijecidas têm uma rigidez que é pelo menos 50% mais alta que uma outra fibra de reforço idêntica que não foi tratada em superfície.
  15. 15. Composição de revestimento CARACTERIZADA pelo fato de que compreende:
    cerca de 0,5 a menos que 5,0% em peso de sólidos de um formador de filme que compreende um ou mais dentre polivinilpirrolidona, acetato de polivinila, poliuretano e epóxi; e pelo menos um agente de compatibilização que compreende um ou mais dentre um agente de acoplamento à base de silicone, um agente de acoplamento de titanato e um agente de acoplamento de zirconato, em que a dita composição de revestimento tem um teor total de sólidos de não mais que 5% em peso.
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