BR112020007719A2 - filamento de resina termoplástica reforçada com fibra e artigo moldado do mesmo - Google Patents

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BR112020007719A2
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fiber reinforced
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Masayuki Koshi
Yoshihiro Naruse
Shoma ISHIDA
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Toray Industries, Inc.
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Abstract

A presente invenção refere-se a um filamento de resina termoplástica reforçada com fibra que é obtida impregnando uma fibra reforçada contínua com uma resina termoplástica, e que satisfaz todas as seguintes condições (a) - (c). A presente invenção fornece um filamento de resina termoplástica reforçada com fibra que é adequado para aplicações em impressoras 3D. (a) A razão em volume de uma fibra reforçada em um filamento de resina termoplástica reforçada com fibra é de 30 a 80%; e a razão em volume de uma resina termoplástica em um filamento de resina termoplástica reforçada com fibra é de 70 a 20%. (b) A espessura de um filamento de resina termoplástica reforçada com fibra é de 0,01 a 3 mm. (c) O comprimento de um filamento contido em um filamento de resina termoplástica reforçada com fibra é de 1 m ou mais.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "FILA-
MENTO DE RESINA TERMOPLÁSTICA REFORÇADA COM FIBRA E ARTIGO MOLDADO DO MESMO". Campo Técnico da Invenção
[001] A presente invenção refere-se a um filamento de resina termoplástica reforçada com fibra e a um produto moldado do mesmo. Antecedentes da Invenção
[002] Os materiais à base de resina termoplástica reforçada com fibra, feitos de fibra de reforço contínua impregnada com resina termo- plástica, são excelentes em resistência específica, rigidez específica, efeito leve, resistência ao calor e resistência química, de modo que eles sejam adequadamente utilizados em equipamentos de transporte, tal como aviões e automóveis ou vários produtos tal como equipamen- tos esportivos e componentes elétricos / eletrônicos. Devido ao recen- te aumento na demanda de peças leves para aviões e automóveis, as peças metálicas foram substituídas por peças de resina, enquanto os componentes foram reduzidos e modularizados, de modo que se espe- ravam desenvolvimentos de material excelente em moldabilidade e propriedades mecânicas.
[003] Recentemente, os materiais base de resina termoplástica reforçada com fibra foram focados na laminação de resina termoplásti- ca fundida tal como moldagem de deposição fundida usada para o mé- todo de impressão 3D. O documento de patente 1 descreve uma mol- dagem de deposição de resina termoplástica fundida sendo desenvol- vida em cada campo devido ao custo vantajoso. O material de base de resina termoplástica reforçada com fibra aplicada a esse método de moldagem foi tipicamente produzido extrudando fibras de reforço cor- tadas em fibras curtas juntamente com resina termoplástica para mol- dar um fio de resina termoplástica reforçada com fibra. No entanto, o material base de resina termoplástica reforçada com fibra curta dificil-
mente pode ser melhorado em teor de fibra, enquanto tal comprimento de fibra assim curto tem apenas uma capacidade de reforço limitada.
[004] O documento de patente 2 descreve um material base de resina termoplástica reforçada com fibra contínua empregado para exibir uma alta capacidade de reforço. Documentos da Técnica precedente Documentos de Patentes
[005] Documento de Patente 1: JP2009-500194-A
[006] Documento de Patente 2: JP2017-128072-A Sumário da Invenção Problemas a serem resolvidos pela Invenção
[007] O material base antes do processo de moldagem descrito no documento de Patente 2 com muitos vazios dentro dos quais deve ser removido no momento da moldagem deve ser melhorado em qua- lidade e produtividade do produto moldado.
[008] Tendo em vista as tecnologias de fundo acima descritas, pode ser útil fornecer um filamento de resina termoplástica reforçada com fibra com excelente qualidade, como dispersão de fibras vazias e reforçadas e capacidade de manuseio durante o processo de forma- ção. Meios para resolver os problemas
[009] [1] Filamento de resina termoplástica reforçada com fibra de fibra de reforço contínua impregnada com resina termoplástica, tendo a) um teor em volume da fibra de reforço de 30 a 80% em volume e um teor em volume do filamento de resina termoplástica de 70 a 20% em volume; b) uma espessura de 0,01 a 3 mm, e c) um comprimento de filamento igual a 1 m ou mais.
[0010] [2] O filamento de resina termoplástica reforçada com fibra de acordo com [1], tendo ainda um índice de vazios de 5% ou menos.
[0011] [3] O filamento de resina termoplástica reforçada com fibra de acordo com [1] ou [2], tendo ainda uma rigidez flexural igual a 1 N · m2 ou menos.
[0012] [4] O filamento de resina termoplástica reforçada com fibra de acordo com qualquer um de [1] a [3], em que a fibra de reforço é feita de pelo menos uma selecionada a partir de um grupo que consis- te de uma fibra de carbono, uma fibra de vidro e uma fibra de aramida.
[0013] [5] Filamento de resina termoplástica reforçada com fibra, de acordo com qualquer um de [1] a [4], em que a resina termoplástica é feita de pelo menos uma selecionada a partir de um grupo que con- siste de resina de sulfeto de polifenileno (PPS), resina de poliarileno éter cetona (PAEK), resina de poliéterimida (PEI), resina de poliéter sulfona (PES) e uma resina de polímero cristalino líquido (LCP).
[0014] [6] O filamento de resina termoplástica reforçada com fibra de acordo com qualquer um de [1] a [5], em que a fibra de reforço tem 90% ou mais de um valor médio D de um parâmetro de dispersão d calculado por uma série de etapas (i) a (iv): (i) tirar uma imagem de uma seção transversal do filamento de resina termoplástica reforçada com fibra perpendicular a uma dire- ção de orientação; (ii) dividir a imagem da seção transversal em unidades qua- dradas tendo um comprimento lateral t dentro da faixa de Fórmula (1); (iii) calcular o parâmetro de dispersão d pela Fórmula (2); e (iv) calcular o valor médio D do parâmetro de dispersão d repetindo uma pluralidade de conjuntos das etapas (i) a (iii), Fórmula (1): 1,5a ≤ t ≤ 2,5a, em que: a: diâmetro da fibra; e t: comprimento lateral da unidade, Fórmula (2): Parâmetro de dispersão d = 100 × (o número de unidades, incluindo fibras de reforço dentro da faixa) / (o número de todas as unidades).
[0015] [7] O filamento de resina termoplástica reforçada com fibra de acordo com qualquer um de [1] a [6], em que o valor médio D do parâmetro de dispersão d tem 4% ou mais de um coeficiente de varia- ção.
[0016] [8] O filamento de resina termoplástica reforçada com fibra, de acordo com qualquer um de [1] a [7], tendo ainda uma forma de se- ção transversal de círculo, quadrângulo, elipse, oval ou estrela.
[0017] [9] O filamento de resina termoplástica reforçada com fibra de acordo com qualquer um de [1] a [8], tendo ainda uma camada mais externa revestida com a resina termoplástica.
[0018] [10] Produto moldado, que compreende o filamento de resi- na termoplástica reforçada com fibra de acordo com qualquer um de
[1] a [9]. Efeitos de Acordo com a Invenção
[0019] Esta invenção pode alcançar uma boa capacidade de ma- nuseio no momento da formação, uma vez que este filamento de resi- na termoplástica reforçada com fibra, feito impregnando fibras de re- forço contínuas com resina termoplástica, tem uma espessura fina e um comprimento de filamento maior do que um comprimento prede- terminado. Esta invenção também pode obter um bom efeito de refor- ço, uma vez que este filamento de resina termoplástica reforçada com fibra tem um alto teor de fibra e uma excelente qualidade, tal como uni- formidade das fibras de reforço. Modalidades para Realização da Invenção
[0020] A seguir, esta invenção será explicada em detalhes. Um exemplo deste filamento de resina termoplástica reforçada com fibra, feito impregnando fibras de reforço contínuas com resina termoplásti- ca.
[0021] A fibra de reforço contínua significa uma fibra de reforço sem ruptura substancial na resina termoplástica reforçada com fibra. A dita "nenhuma ruptura substancial" inclui um filamento constituído por 80% ou mais de fios simples sem ruptura, embora seja ideal que todas as fibras únicas não tenham ruptura em um filamento. As fibras de re- forço podem ter uma formação orientada unidirecionalmente, tal como trançado e não trançado. Para melhorar eficientemente as proprieda- des mecânicas ao longo de uma direção específica, é preferencial que as fibras de reforço sejam dispostas unidirecionalmente.
[0022] A fibra de reforço pode ser fibra de carbono, fibra metálica, fibra orgânica, fibra inorgânica ou similar, embora não seja particular- mente limitada. Dois ou mais tipos podem ser usados em conjunto.
[0023] As fibras de carbono incluem uma fibra de carbono à base de PAN feita de fibra de poliacrilonitrilo (PAN), uma fibra de carbono à base de piche feita a partir de alcatrão ou piche de petróleo, fibra de carbono à base de celulose feita a partir de viscose rayon ou acetato de celulose, uma fibra de carbono cultivada em vapor feita a partir de hidrocarbonetos, e uma fibra grafitizada. A partir do ponto de vista do equilíbrio entre resistência e módulo de elasticidade, é preferencial que a fibra de carbono seja uma fibra de carbono à base de PAN.
[0024] A fibra metálica é feita de um metal tal como ferro, ouro, prata, cobre, alumínio, latão e aço inoxidável.
[0025] A fibra orgânica é feita de um material orgânico tal como aramida, polibenzoxazol (PBO), sulfeto de polifenileno, poliéster, poli- amida e polietileno. A fibra de aramida pode ser uma fibra de para- aramida excelente em resistência e módulo de elasticidade ou uma fibra de meta-aramida excelente em incombustibilidade e resistência ao calor a longo prazo. A fibra de para-aramida pode ser fibra de poli- p-fenileno tereftalamida, fibra de copoli-p-fenileno 3,4’-oxidifenileno- tereftalamida ou similares. A fibra de meta-aramida pode ser fibra de poli-m-fenileno isoftalamida. É preferencial que a fibra de aramida seja uma fibra de para-aramida, cujo módulo de elasticidade é superior ao da fibra de meta-aramida.
[0026] A fibra inorgânica pode ser feita de um material inorgânico, tal como vidro, basalto, carboneto de silício e nitreto de silício. A fibra de vidro pode ser fibra de vidro E (usada para uso elétrico), fibra de vidro C (usada para resistência à corrosão), fibra de vidro S, fibra de vidro T (alta resistência, alto módulo de elasticidade) ou similares. A fibra de basalto excelente em resistência ao calor é feita a partir de um mineral chamado basalto. Embora o basalto geralmente contenha 9 a 25% em peso de componente de ferro, tal como FeO e FeO2, bem como 1 a 6% em peso de componente de titânio, tal como TiO e TiO2, o componente de ferro ou titânio pode ser adicionado em um estado de fusão para fazer a fibra de basalto.
[0027] A partir do ponto de vista de altas propriedades mecânicas adequadas para materiais de reforço, é preferencial que o filamento de resina termoplástica reforçada com fibra compreenda fibras de carbo- no como uma fibra de reforço.
[0028] O filamento de resina termoplástica reforçada com fibra compreende tipicamente uma ou mais pedaços de feixes de fibras de reforço feitas ao agrupar muitos fios únicos. É preferencial que o nú- mero de fios únicos seja de 500 a 50.000 nos feixes de fibras de refor- ço nos ditos um ou mais pedaços. A partir do ponto de vista da capa- cidade de manuseio, é preferencial que os feixes de fibras de reforço tenham fios únicos de 1.000 a 50.000. É preferencialmente 1.000 a
40.000 e é mais preferencialmente 1.000 a 30.000. O limite superior do número de fios únicos nos feixes de fibras de reforço pode ser projeta- do considerando o equilíbrio entre a capacidade de manuseio e a qua- lidade do vazio ou dispersão para manter uma boa capacidade de ma- nuseio e uma boa dispersão.
[0029] O filamento de resina termoplástica reforçada com fibra po-
de ter um formato de seção transversal modificada, tal como um for- mato circular, formato de elipse, formato oval, formato triangular, for- mato de Y, formato quadrangular, formato de cruz, formato oco, forma- to em C, padrão xadrez e formato de estrela, embora não seja limitado em particular. A partir do ponto de vista da adesão para a moldagem de deposição fundida, é preferencial que o formato da seção transver- sal modificada seja o formato circular, o formato quadrangular, o for- mato de elipse, o formato oval ou o formato de estrela.
[0030] É possível que o filamento de resina termoplástica reforça- da com fibra tenha uma camada mais externa revestida por resina termoplástica. A periferia externa revestida por resina termoplástica pode melhorar a adesão no momento da formação. A resina de reves- timento pode ser igual ou diferente da que constitui o filamento de re- sina termoplástica reforçada com fibra.
[0031] É preferencial que o feixe de fibras de reforço consista de 500 a 50.000 pedaços de fios únicos agrupados de fibras de reforço, tendo um diâmetro médio de 5 a 10 μm.
[0032] A resina termoplástica pode ser um poliéster, tal como resi- na de tereftalato de polietileno (PET), resina de tereftalato de polibuti- leno (PBT), resina de tereftalato de politrimetileno (PTT), resina de naf- talato de polietileno (PEN) e resina de poliéster cristalino líquido, uma poliolefina tal como resina de polietileno (PE), resina de polipropileno (PP) e resina de polibutileno, resina à base de estireno, resina de poli- oximetileno (POM), resina de poliamida (PA), resina de policarbonato (PC), resina de polimetilmetacrilato (PMMA), resina de polivinil cloreto (PVC), resina de sulfeto de polifenileno (PPS), resina de polifenileno éter (PPE), resina de PPE modificada, resina de polimida (PI), resina de poliamida-imida (PAI), resina de polieterimida (PEI), resina de po- lissulfona (PSU), resina de PSU modificada, resina de poliéter sulfona, resina de policetona (PK), resina de poliéter cetona (PEK), resina de poliéter éter cetona (PEEK), resina de poliéter cetona cetona (PEKK), resina de poliarilato (PAR), resina de poliéter nitrilo (PEN), resina fenó- lica, resina de fenóxi, um resina à base de flúor tal como resina de poli- tetrafluoretileno, um elastômero termoplástico tal como resina à base de poliestireno, resina à base de poliolefina, resina à base de poliure- tano, resina à base de poliéster, resina à base de poliamida, resina à base de polibutadieno, resina à base de poliisopreno e resina fluorada, ou um copolímero ou uma modificação do mesmo, ou uma resina blendada de dois ou mais tipos. A partir do ponto de vista da resistên- cia ao calor e durabilidade a longo prazo, é preferencial que a resina termoplástica seja resina de sulfeto de polifenileno, resina de poliarile- no éter cetona, resina de polieterimida, resina de polietersulfona ou resina de polímero cristalino líquido.
[0033] A resina de polietileno éter cetona (PAEK) pode ser poliéter cetona (PEK), poliéter éter cetona (PEEK), poliéter éter cetona cetona (PEEKK), poliéter cetona cetona (PEKK), poliéter cetona éter cetona cetona (PEKEKK), poliéter éter cetona éter cetona (PEEKEK), poliéter éter éter cetona (PEEEK), poliéter difenil éter cetona (PEDEK) ou um copolímero ou uma modificação do mesmo, ou uma resina blendada de dois ou mais tipos.
[0034] O filamento de resina termoplástica reforçada com fibra compreendendo fibras de reforço contínuas impregnadas com a resina termoplástica descrita acima pode ainda conter um enchimento, outro tipo de polímero, um aditivo ou similar, conforme necessário.
[0035] O filamento de resina termoplástica reforçada com fibras pode ser obtido impregnando fibras de reforço contínuas com resina termoplástica.
[0036] O método de impregnação pode ser um método de filme no qual a resina termoplástica formada por filme é fundida e pressurizada para impregnar feixes de fibras de reforço com resina termoplástica,
um método de mistura no qual, depois de girar uma mistura de resina termoplástica fibrosa e feixes de fibras de reforço, a resina termoplás- tica fibrosa é fundida e pressurizada para impregnar feixes de fibras de reforço com resina termoplástica, um método em pó no qual, após dis- persar a resina termoplástica em pó em espaços de fibras nos feixes de fibras de reforço, a resina termoplástica em pó é fundida e pressuri- zada para impregnar os feixes de fibras de reforço com resina termo- plástica, ou um método de trefilação no qual os feixes de fibras de re- forço são imersos em resina termoplástica fundida e pressurizados pa- ra impregnar feixes de fibras de reforço com resina termoplástica. É preferido empregar o método de trefilação capaz de preparar vários tipos de filamentos de resina termoplástica reforçada com fibras dife- rentes em espessura, teor de volume de fibra ou similares.
[0037] O filamento de resina termoplástica reforçada com fibra tem um comprimento de 1 m ou mais. O comprimento de 1 m ou mais pode formar continuamente uma forma com resina termoplástica.
[0038] O filamento de resina termoplástica reforçada com fibra tem uma espessura de 0,01 a 3 mm. A espessura de 0,01 mm ou mais po- de melhorar a resistência do produto moldado feito do filamento de re- sina termoplástica reforçada com fibra. Ela é de preferência 0,1 mm ou mais. A espessura de 3 mm ou menos pode garantir a flexibilidade do filamento de resina termoplástica reforçada com fibra para melhorar a capacidade de manuseio no momento da formação das formas. Ela é preferencialmente de 1 mm ou menos e é mais preferencialmente de 0,7 mm ou menos.
[0039] É preferencial que o filamento de resina termoplástica re- forçada com fibra tenha uma rigidez flexural igual a 1 N · m2 ou menos. A rigidez flexural de 1 N · m2 ou menos pode garantir a flexibilidade do filamento para melhorar a capacidade de manuseio. Ela é preferenci- almente de 0,1 N · m2 ou menos, é mais preferencialmente de 0,01 N ·
m2 ou menos e é especificamente preferencialmente 0,005 N · m2 ou menos.
[0040] O filamento de resina termoplástica reforçada com fibra tem um teor de volume de fibra de reforço (Vf) de 30% em volume ou mais e 80% em volume ou menos em um filamento de resina termoplástica reforçada com fibra total de 100% em volume total. O teor de volume de fibra de reforço de 30% em volume ou mais pode melhorar a resis- tência do produto moldado feito do filamento de resina termoplástica reforçada com fibra. O Vf é preferencialmente de 40% em volume ou mais e é mais preferencialmente de 50% em volume ou mais. A fibra de reforço de 80% em volume ou menos pode impregnar facilmente as fibras de reforço com resina termoplástica. É preferencial que o fila- mento de resina termoplástica reforçada com fibra tenha um teor de volume de fibra de reforço de 75% em volume ou menos, preferenci- almente de 70% em volume ou menos.
[0041] O teor de volume Vf do filamento de resina termoplástica reforçada com fibra é calculado pela Fórmula (3) a partir da massa W0 [g] do filamento de resina termoplástica reforçada com fibra e massa W1 [g] de fibra de reforço residual deixada após o aquecimento do fi- lamento de resina termoplástica reforçada com fibra contínua para queimar o componente de resina termoplástica a 500° C no ar por 30 min. Fórmula (3): Vf [% vol] = 100 × (W1 / ρf) / {W1 / ρf + (W0 - W1) / ρ1} ρf: densidade da fibra de reforço [g / cm3] ρr: densidade da resina termoplástica [g / cm3]
[0042] É preferencial que o filamento de resina termoplástica re- forçada com fibra tenha um índice de vazios de 5% ou menos no fila- mento de resina termoplástica reforçada com fibra. O índice de vazios de 5% ou menos pode exibir boas propriedades mecânicas do filamen- to de resina termoplástica reforçada com fibra sem prejudicar as pro-
priedades mecânicas das fibras de reforço. O índice de vazios é de preferência 3% ou menos, e é mais preferencialmente de 2% ou me- nos.
[0043] O índice de vazios do filamento de resina termoplástica re- forçada com fibra é determinado pela observação de uma seção trans- versal na direção da espessura do filamento de resina termoplástica reforçada com fibra da seguinte forma. As amostras preparadas em- bebendo-se o filamento de resina termoplástica reforçada com fibra com resina epóxi são polidas para fazer uma seção transversal na di- reção da espessura do filamento de resina termoplástica reforçada com fibra bem observada. As amostras polidas são fotografadas com ampliação de 400 vezes com um microscópio de medição de forma 3D de cores ultra profundas VHX-950F (parte do controlador) / VH-Z100R (parte do medidor) (fabricado por Keyence Corporation). As imagens são capturadas dentro (500 μm de largura) × (espessura) do filamento de resina termoplástica reforçada com fibra. As áreas de seção trans- versal e vazios do material base são medidas com as imagens captu- radas para calcular uma taxa de impregnação pela Fórmula (4). Fórmula (4): Índice de vazios [%] = 100 × (área total de vazios) / (área total de filamentos de resinas termoplásticas reforçadas com fibra)
[0044] É preferencial que o filamento de resina termoplástica re- forçada com fibra tenha 90% ou mais do parâmetro de dispersão mé- dio D definido da seguinte forma. O valor médio do parâmetro de dis- persão de 90% ou mais pode reduzir a variação das propriedades me- cânicas do filamento de resina termoplástica reforçada com fibra. (Cálculo do parâmetro de dispersão médio D)
[0045] (i) Uma imagem da seção transversal é capturada em uma direção aproximadamente perpendicular à direção de orientação do filamento de resina termoplástica reforçada com fibra.
[0046] (ii) A imagem da seção transversal é dividida em unidades quadradas, cada uma com um comprimento lateral definido pela Fór- mula (1).
[0047] (iii) O parâmetro de dispersão d é calculado pela Fórmula (2) que o define.
[0048] (iv) As operações (i) a (iii) são repetidas para calcular a média D médio do parâmetro de dispersão d. Fórmula (1): 1,5a ≤ t ≤ 2,5a a: diâmetro de fibra t: comprimento lateral da unidade Fórmula (2): Parâmetro de dispersão d = 100 × (o número de unida- des, incluindo fibras de reforço dentro da faixa) / (o número de todas as unidades) Método de Avaliação
[0049] Uma amostra de filamento de resina termoplástica reforça- da com fibra embebida com "EpoKwick (marca registrada)" fabricada pela empresa Buehler é curada em temperatura ambiente por 24 horas e, em seguida, a seção transversal aproximadamente perpendicular à direção de orientação das fibras de reforço do filamento de resina ter- moplástica reforçada com fibra é polida para captar uma imagem com um microscópio de medição de forma 3D de cores ultra profundas VHX-950F (parte do controlador) / VH-Z100R (parte do medidor) (fa- bricado por Keyence Corporation) como alteração do campo de visão.
[0050] A imagem capturada da seção transversal do filamento de resina termoplástica reforçada com fibra é dividida em unidades apro- ximadamente quadradas com um comprimento lateral que satisfaz a Fórmula (1) sem se sobrepor mutuamente para uma análise de ima- gem. O número de unidades aproximadamente quadradas, incluindo fibras de reforço, é contado pela análise da imagem, por sua vez, para calcular o parâmetro de dispersão d pela Fórmula (2).
[0051] A análise de imagem descrita acima é realizada para contar o número de unidades, incluindo fibras de reforço, pelo número total de unidades aproximadamente quadradas seccionadas. A imagem é basicamente binarizada por uma análise de discriminação, embora a binarização possa ser realizada comparando-se manualmente as ima- gens capturadas.
[0052] Mesmo uma unidade incluindo parcialmente uma fibra de reforço é contada como incluindo fibras de reforço, enquanto outra unidade incluindo duas ou mais fibras de reforço é contada como a mesma.
[0053] Diferentes campos de visão de 20 ou mais em uma superfí- cie polida são fotografados para calcular o valor médio D do parâmetro de dispersão d medido a partir de cada imagem da seção transversal do filamento de resina termoplástica reforçada com fibra, de modo que a distribuição de fibra de reforço no filamento de resina termoplástica reforçada com fibra possa ser avaliada quantitativamente. Caso o nú- mero de imagens capturadas seja insuficiente, um número suficiente de campos de visão em uma pluralidade de superfícies polidas pode ser fotografado para calcular o valor médio D do parâmetro de disper- são d.
[0054] De acordo com a Fórmula (1), o tamanho da unidade é limi- tado dentro de uma faixa definida pelo diâmetro da fibra de reforço ob- servado. Quando o tamanho da unidade estiver abaixo da faixa, o pa- râmetro de dispersão poderá ser convergido com o teor de volume e falhou em expressar a dispersibilidade exatamente. Quando o tama- nho da unidade está acima da faixa, o parâmetro de dispersão pode ser constante e falha em expressar a dispersibilidade corretamente. Portanto, é preferencial que o tamanho da unidade satisfaça a Fórmula (1).
[0055] O coeficiente de variação do parâmetro de dispersão d po- de ser calculado pela Fórmula (5). Quando o coeficiente de variação é superior a 4%, a densidade da fibra de reforço pode variar bastante entre os campos de um filamento de resina termoplástica reforçada com fibra. Portanto, é preferencial que o coeficiente de variação seja de 4% ou mais, preferencialmente de 3% ou mais. Fórmula (5): Coeficiente de variação = 100 × (média do parâmetro de dispersão d) / (desvio padrão do parâmetro de dispersão d)
[0056] Um produto moldado pode ser feito através da formação de um laminado de qualquer configuração de um ou mais dos filamentos de resina termoplástica reforçada com fibra, como aquecimento e / ou pressurização, conforme necessário.
[0057] O processo de aquecimento e / ou pressurização pode ser realizado por: um método de moldagem por pressão, no qual qualquer configuração de laminado de material de formação é pressurizada em um molde ou entre placas de prensagem; um método de moldagem de autoclave para pressurizar e aquecer qualquer configuração de lami- nado de material de formação em um autoclave; um método de mol- dagem de autoclave para pressurizar e aquecer qualquer configuração de formação de laminado de material enrolado com filme e com vácuo no interior à pressão atmosférica em um forno; um método de enrola- mento de fita para enrolar uma fita em torno da resina termoplástica reforçada com fibra contínua de qualquer configuração com tensão para ser aquecida em um forno; um método de moldagem sob pressão interna para injetar gás ou líquido nos núcleos fornecidos em um mol- de contendo qualquer configuração de resina termoplástica reforçada com fibra contínua; ou um método de impressão 3D para formar uma forma tridimensional de material de formação aquecido e pressurizado que é fundido e laminado. É preferencial empregar um método de im- pressão 3D adequado para moldar uma forma complicada.
[0058] O filamento de resina termoplástica reforçada com fibra e seu produto moldado com excelentes características podem ser apli-
cados em peças de avião, peças de motores, materiais elétricos / ele- trônicos, materiais de construção, contêineres, necessidades diárias, artigos diários e artigos sanitários.
É preferencial que o filamento de resina termoplástica reforçada com fibra e seu produto moldado sejam aplicados a peças que exigem propriedades mecânicas estáveis, tal como peças periféricas de motores de aviões, peças externas de avi- ões, peças de carrocerias de automóveis, carrocerias de veículos, pe- ças periféricas de motores de automóveis, peças de automóveis, pe- ças de engrenagens de automóveis, peças internas de automóveis, peças externas de automóveis, peças de admissão ou escape e peças de água de resfriamento do motor, peças de componentes elétricos de automóveis, ou peças elétricas / eletrônicas.
Especificamente, o fila- mento de resina termoplástica reforçada com fibra e seu produto mol- dado são aplicados a peças periféricas de motores de aviões, tal como pás de ventiladores, peças de aviões tal como cápsula de trem de pouso, winglet, spoiler, borda, escada, elevador, carenagem e nervura, partes da carroceria de automóveis tal como chapas, corpo dianteiro, parte inferior da carroceria, pilares, membros, estruturas, vigas, supor- tes, trilhos e dobradiças, peças periféricas de motores de automóveis tal como tampa do motor, tubo de entrada de ar, tampa da correia den- tada, coletor de admissão, tampa de enchimento, corpo do acelerador e ventilador de refrigeração, peças da parte inferior do automóvel tal como a parte superior e a base do ventilador de refrigeração ou tanque do radiador, tampa da cabeça do cilindro, cárter, tubulação do freio, tubo de combustível e peças do sistema de gases de escape, peças da engrenagem do automóvel tal como engrenagem, atuador, retentor de rolamento, gaiola de rolamento, guia de corrente e tensor de cor- rente, peças internas do automóvel tal como suporte da alavanca de câmbio, suporte da trava da direção, cilindro chave, manípulo interno da porta, capota da maçaneta da porta, suporte do espelho interno,
interruptor do ar-condicionado, painel de instrumentos, caixa de conso- le, porta-luvas, volante e acabamento, peças externas de automóveis tal como para-lama dianteiro, para-lama traseiro, tampa de combustí- vel, painel da porta, tampa da cabeça do cilindro, estada do espelho da porta, painel da porta traseira, guarnição da licença, trilho de teto, suporte de montagem do motor, guarnição traseira, spoiler traseiro, tampa do porta-malas, balancim, moldagem, alojamento da lâmpada, grade dianteira, guarda-lamas e para-choques lateral, peças de ad- missão ou escape tal como coletor de admissão de ar, entrada do in- tercooler, turbo-compressor, turbo-carregador, tampa do tubo de esca- pe, bucha interna, retentor do rolamento, montagem do motor, tampa da cabeça do motor, ressonador e corpo do acelerador, peças do sis- tema de água de resfriamento do motor tal como tampa da corrente, alojamento do termostato, tubo de saída, tanque do radiador, alterna- dor e tubo de entrega, peças de componentes elétricos de automóveis tal como conector, conector do chicote de fios, peças de motor, soque- te da lâmpada, comutador de sensor no veículo e chave de combina- ção, peças elétricas / eletrônicas tal como gerador, motor, transforma- dor, conversor, regulador de tensão, retificador, resistor, inversor, relé, ponto de contato de potência, disjuntor, interruptor, interruptor de faca, haste multipolar, gabinete do motor, alojamento de TV, alojamento e peças internas para PC, alojamento para tela CRT e peças internas, alojamento da impressora e peças internas, alojamento do telefone celular e peças internas do telefone celular, e equipamento móvel de PC móvel ou portátil, peças elétricas tal como IC, alojamento adaptá- vel a LED, placa da base do capacitor, porta-fusíveis, engrenagens, estojos e gabinetes, peças eletrônicas tal como conector, conector adaptável SMT, conector de cartão, tomada, bobina, sensor, lâmpada LED, soquete, resistor, relé, caixa de relé, refletor, interruptor pequeno, peças de fonte de alimentação, capacitor, caixa de capacitor variável,
chassi de captação óptica, oscilador, placas terminais, transformado- res, plugues, placas de circuito impresso , sintonizadores, alto- falantes, microfones, fones de ouvido, motor de tamanho pequeno, ba- se magnética de cabeça, módulo de energia, módulo de energia Si, módulo de energia SiC, semicondutor, cristal líquido, carro FDD, chas- si FDD, um porta escova de motor, material do transformador, antena parabólica, peças de computador, ou similares. Exemplos
[0059] A seguir, esta invenção será explicada em mais detalhes com referência aos Exemplos, embora esta invenção não esteja limi- tada a eles. As características são avaliadas pelos seguintes métodos nos Exemplos e Exemplos comparativos. Teor de volume (Vf)
[0060] O teor de volume Vf dos filamentos de resina termoplástica reforçada com fibra obtido nos Exemplos e Exemplos Comparativos é calculado pela Fórmula (3) a partir da massa W0 do filamento de resi- na termoplástica reforçada com fibra e massa W1 da fibra de reforço residual deixada após o aquecimento do filamento de resina termo- plástica reforçada com fibra contínua para queimar o componente de resina termoplástica a 500° C no ar por 30 min. Fórmula (3): Vf [% vol] = 100 × (W1 / ρf) / {W1 / ρf + (W0 - W1) / ρ1} ρf: densidade da fibra de reforço [g / cm3] ρr: densidade da resina termoplástica [g / cm3] Características de Impregnação
[0061] Seções transversais dos filamentos de resina termoplástica reforçada com fibra obtidas nos Exemplos e Exemplos Comparativos são observadas na direção da espessura, como segue. As amostras preparadas embebendo-se o filamento de resina termoplástica refor- çada com fibra com resina epóxi são polidas para fazer uma seção transversal na direção da espessura do filamento de resina termoplás-
tica reforçada com fibra bem observada. As amostras polidas são foto- grafadas com ampliação de 400 vezes com um microscópio de medi- ção de forma 3D em cores ultra profundas VHX-950F (parte do contro- lador) / VH-Z100R (parte do medidor) (fabricado por Keyence Corpora- tion). As imagens são capturadas dentro (500 μm de largura) × (es- pessura) do filamento de resina termoplástica reforçada com fibra. Áreas e vazios dos filamentos de resina termoplástica reforçada com fibra são medidos com as imagens capturadas para calcular uma taxa de impregnação pela Fórmula (4). Fórmula (4): Índice de vazios [%] = 100 × (área total de vazios) / (área total de filamentos de resinas termoplásticas reforçadas com fibra) Uniformidade
[0062] (i) Uma imagem de seção transversal é capturada em uma direção aproximadamente perpendicular à direção de orientação do filamento de resina termoplástica reforçada com fibra.
[0063] (ii) A imagem da seção transversal é dividida em unidades quadradas, cada uma com um comprimento lateral definido pela Fór- mula (1).
[0064] (iii) O parâmetro de dispersão d é calculado pela Fórmula (2) que o define.
[0065] (iv) As operações (i) a (iii) são repetidas para calcular a média D do parâmetro de dispersão d. Fórmula (1): 1,5a ≤ t ≤ 2,5a a: diâmetro da fibra t: comprimento lateral da unidade Fórmula (2): Parâmetro de dispersão d = 100 × (o número de unidades, incluindo fibras de reforço dentro da faixa) / (o número de todas as unidades) Método de Avaliação
[0066] Uma amostra de filamento de resina termoplástica reforça-
da com fibra embebida em resina epóxi é curada em temperatura am- biente por 24 horas e, em seguida, a seção transversal aproximada- mente perpendicular à direção de orientação das fibras de reforço do filamento de resina termoplástica reforçada com fibra é polida para capturar uma imagem com um microscópio de medição de forma 3D de cores ultra profundas VHX-950F (parte do controlador) / VH-Z100R (parte de medidor) (fabricado por Keyence Corporation).
[0067] A imagem capturada da seção transversal do filamento de resina termoplástica reforçada com fibra é dividida em unidades apro- ximadamente quadradas tendo um comprimento lateral que satisfaz a Fórmula (1) sem se sobrepor mutuamente usando um software de análise de imagem. O número de unidades aproximadamente quadra- das, incluindo fibras de reforço, é contado pela análise de imagem pa- ra calcular o parâmetro de dispersão d pela Fórmula (2).
[0068] Diferentes campos de visão de 20 ou mais são fotografados para calcular o valor médio D do parâmetro de dispersão assim obtido d e o coeficiente de variação. Rigidez Flexural
[0069] A rigidez flexural dos filamentos de resina termoplástica re- forçada com fibra obtida nos Exemplos e Exemplos Comparativos é calculada pela Fórmula (6). Fórmula (6): Rigidez flexural = E × I E: módulo de elasticidade sob flexão do filamento de resina termoplástica reforçada com fibra I: segundo momento de área
[0070] Os módulos de elasticidade sob flexão dos filamentos de resina termoplástica reforçada com fibra são determinados de acordo com JIS K 7074 (2012). Os filamentos são flexionados na direção axial para a determinação. Capacidade de Manuseio
[0071] As capacidades de manuseio dos filamentos de resina ter- moplástica reforçada com fibra obtidas nos Exemplos e Exemplos Comparativos são avaliadas nos dois níveis entre "Bom" e "NG" de acordo com os critérios de fratura / dobra dos filamentos de resina termoplástica reforçada com fibra enrolados em torno de um rolo com 150 mm de diâmetro interno.
[0072] Bom: sem fratura e dobra
[0073] NG: com fratura ou dobra Matérias-primas
[0074] As seguintes matérias-primas são usadas nos Exemplos e Exemplos Comparativos.
[0075] Feixe de fibra de carbono
[0076] - Fibra de carbono (CF) à base de PAN "Torayca (marca registrada)" fabricada por Toray Industries, Inc.
[0077] Resina termoplástica
[0078] - Resina de sulfeto de polifenileno (PPS) "TORELINA (mar- ca registrada)" fabricada por Toray Industries, Inc.
[0079] - Resina de poliéter éter cetona (PEEK) "VICTREX (marca registrada)" fabricada por Victrex Japan Inc.
[0080] - Resina de poliéter cetona cetona (PEKK) "KEPSTAN (marca registrada)" fabricada por Arkema K.K.
[0081] - Resina de polieterimida (PEI) "ULTEM (marca registrada)" fabricada por SABIC Company
[0082] Um feixe de fibra de carbono enrolado em torno de uma bobina é continuamente desenrolado da bobina através de uma guia de fio. O feixe de fibra de carbono continuamente desenrolado é im- pregnado com a resina mostrada na Tabela 1, fornecida constante- mente a partir de um alimentador para um molde de impregnação. O feixe de fibra de carbono impregnado no molde de impregnação é con- tinuamente trefilado com um rolo de trefilação a 1 m / min de velocida-
de de trefilação através de um bico do molde de impregnação. O feixe de fibra de carbono trefilado é resfriado com um rolo de resfriamento para solidificar a resina termoplástica para fazer um filamento de resi- na termoplástica reforçada com fibra contínua enrolada por um enrola- dor. O filamento de resina termoplástica reforçada com fibra assim ob- tido tem uma seção transversal circular, as fibras de reforço são orien- tadas unidirecionalmente. A avaliação descrita acima é realizada com o filamento de resina termoplástica reforçada com fibra obtida.
[0083] A Tabela 1 mostra os resultados da avaliação.
Tabela 1
22/23
[0084] Os filamentos de resina termoplástica reforçada com fibra obtidos nos Exemplos 1 a 7 incluem fibras de reforço uniformemente dispersas com menos vazios em comparação com o Exemplo Compa- rativo 1. Concluiu-se que os filamentos de resina termoplástica refor- çada com fibra com um ótimo teor de fibra e uma pequena rigidez fle- xural tinham excelente capacidade de manuseio no momento da for- mação. Aplicações Industriais da Invenção
[0085] Este filamento de resina termoplástica reforçada com fibra pode ser moldado em uma forma desejável por um método tal como o método de prensagem e o método de impressão 3D. O método de im- pressão 3D precisa alcançar um bom efeito de reforço e capacidade de manuseio no momento da formação e, portanto, é adequado para um método de formação deste filamento de resina termoplástica refor- çada com fibra. Este produto moldado obtido pela formação do fila- mento de resina termoplástica reforçada com fibra é aplicável a peças de avião, tal como peças periféricas de motores de aviões, peças in- ternas de aviões e peças externas de aviões, peças de automóveis tal como carroceria de veículo, peças periféricas de motores de automó- veis, peças de automóveis, peças de engrenagens de automóveis, pe- ças internas de automóveis, peças externas de automóveis, peças de admissão ou escape, peças de água para resfriamento do motor e pe- ças de componentes elétricos de automóveis, ou peças elétricas / ele- trônicas tal como refletor LED e conector SMT.

Claims (10)

REIVINDICAÇÕES
1. Filamento de resina termoplástica, caracterizado pelo fato de ser reforçada com fibra de fibra de reforço contínua impregna- da com uma resina termoplástica, tendo a) um teor de volume da fibra de reforço de 30 a 80% em volume e um teor de volume do filamento de resina termoplástica de 70 a 20% em volume; b) uma espessura de 0,01 a 3 mm, e c) um comprimento de filamento igual a 1 m ou mais.
2. Filamento de resina termoplástica reforçada com fibra, de acordo com a reivindicação 1, tendo ainda um índice de vazios de 5% ou menos.
3. Filamento de resina termoplástica reforçada com fibra, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de ter uma rigidez flexural igual a 1 N · m2 ou menos.
4. Filamento de resina termoplástica reforçada com fibra, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a fibra de reforço é feita de pelo menos uma selecionada a partir de um grupo que consiste de uma fibra de carbono, uma fibra de vidro e uma fibra de aramida.
5. Filamento de resina termoplástica reforçada com fibra, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a resina termoplástica é feita de pelo menos uma selecio- nada a partir de um grupo que consiste de resina de sulfeto de polifeni- leno (PPS), resina de poliarileno éter cetona (PAEK), resina de poliéte- rimida (PEI), resina de poliéter sulfona (PES) e uma resina de polímero cristalino líquido (LCP).
6. Filamento de resina termoplástica reforçada com fibra, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a fibra de reforço tem 90% ou mais de um valor médio D de um parâmetro de dispersão d calculado por uma série de etapas (i) a (iv): (i) capturar uma imagem de uma seção transversal do fila- mento de resina termoplástica reforçada com fibra perpendicular a uma direção de orientação; (ii) dividir a imagem da seção transversal em unidades qua- dradas com um comprimento lateral t dentro da faixa da Fórmula (1); (iii) calcular o parâmetro de dispersão d pela Fórmula (2); (iv) calcular o valor médio D do parâmetro de dispersão d repetindo uma pluralidade de conjuntos das etapas (i) a (iii), Fórmula (1): 1,5a ≤ t ≤ 2,5a, em que: a: diâmetro da fibra; e t: comprimento lateral da unidade, Fórmula (2): Parâmetro de dispersão d = 100 × (o número de unidades, incluindo fibras de reforço dentro da faixa) / (o número de todas as unidades).
7. Filamento de resina termoplástica reforçada com fibra, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que o valor médio D do parâmetro de dispersão d tem 4% ou mais de um coeficiente de variação.
8. Filamento de resina termoplástica reforçada com fibra, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de ter ainda uma forma de seção transversal de círculo, quadrân- gulo, elipse, oval ou estrela.
9. Filamento de resina termoplástica reforçada com fibra, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de ter ainda uma camada mais externa revestida com a resina termoplástica.
10. Produto moldado, caracterizado pelo fato de compreen- der o filamento de resina termoplástica reforçada com fibra como defi- nido em qualquer uma das reivindicações 1 a 9.
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