BR112020012027B1 - Sistema epóxi curável, métodos para produzir um compósito e uma estrutura compósita reforçada com fibra, compósito, pré-impregnado, estrutura compósita reforçada com fibra, e, componente aeroespacial - Google Patents

Sistema epóxi curável, métodos para produzir um compósito e uma estrutura compósita reforçada com fibra, compósito, pré-impregnado, estrutura compósita reforçada com fibra, e, componente aeroespacial Download PDF

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Abstract

Um sistema epóxi curável utilizável na produção de compósitos capaz de ser usado em várias indústrias, incluindo, por exemplo, a indústria aeroespacial. Em particular, a presente descrição refere-se a um sistema epóxi curável compreendendo (i) um componente epóxi selecionado dentre diglicidil éter de bisfenol C, um ou mais derivados de diglicidil éter de bisfenol C, e combinações dos mesmos, e (ii) 9,9-bis(4-amino-3-clorofenil)fluoreno.

Description

REFERÊNCIA CRUZADA PARA PEDIDOS RELACIONADOS
[001] Este pedido reivindica o benefício para o Pedido de Patente Provisório U.S. número de série 62/609173, depositado em 21 de dezembro de 2017, a descrição total do qual é incorporada aqui por referência.
DECLARAÇÃO COM RELAÇÃO À PESQUISA OU DESENVOLVIMENTO PATROCINADO PELO GOVERNO
[002] Não aplicável.
CAMPO
[003] A presente descrição refere-se geralmente a um sistema epóxi curável utilizável na produção de compósitos capaz de ser usado em várias indústrias, incluindo a indústria aeroespacial. Em particular, a presente descrição refere-se a um sistema epóxi curável compreendendo (i) um componente epóxi selecionado dentre diglicidil éter de bisfenol C, um ou mais derivados de diglicidil éter de bisfenol C, e combinações dos mesmos, e (ii) 9,9-bis(4-amino-3-clorofenil)fluoreno. A presente descrição também refere-se a sistemas epóxi curáveis reforçados com fibra e compósitos produzidos a partir dos mesmos.
FUNDAMENTOS
[004] Compostos epóxi curáveis podem ser misturados com uma variedade de componentes para formar sistemas epóxi curáveis que, quando curados, formam compósitos que podem ser usados em inúmeras indústrias, tal como energia verde, equipamentos esportivos, eletrônicos, construção, automotiva, e aeroespacial. Tais sistemas epóxi curáveis também podem ser usados para formar revestimentos ou espumas reforçadas que são utilizáveis em diversas aplicações.
[005] Se usando um sistema epóxi curável para formar um revestimento ou um compósito, é necessário aquecer o sistema epóxi curável a fim de que ele cure. No entanto, cura é tipicamente uma reação exotérmica, que produz calor adicional que precisa ser controlado a fim de evitar superaquecimento do sistema epóxi curável. O superaquecimento do sistema epóxi curável pode danificar o sistema, assim como o substrato ou compósito revestido produzido a partir do mesmo. Como tal, existe uma necessidade na técnica para controlar melhor o calor presente quando reagindo (isto é, curando) sistemas epóxi curáveis. Um meio para fazer isso, é reduzir a entalpia de cura dos sistemas epóxi curáveis, o que reduz a quantidade de calor gerado durante a cura. Reduzir a entalpia de cura tem o benefício adicional de levar a ciclos de cura reduzidos, o que permite eficiências melhoradas de fabricação e, em última análise, custos de fabricação reduzidos.
[006] Portanto, seria vantajoso prover um sistema epóxi curável tendo uma entalpia de cura mas baixa, mas que ainda tenha as propriedades físicas necessárias para uso em aplicações industriais, incluindo, por exemplo, na indústria aeroespacial.
DESCRIÇÃO DETALHADA
[007] Antes de explicar pelo menos uma modalidade da presente descrição em detalhes, deve ser entendido que a presente descrição não está limitada em sua aplicação aos detalhes de construção e ao arranjo de componentes ou etapas ou metodologias relatados na descrição seguinte. A presente descrição é capaz de outras modalidades ou de ser praticada ou realizada por vários meios. Igualmente, deve ser entendido que a fraseologia e terminologia empregadas aqui são para fins de descrição e não devem ser consideradas como limitativas.
[008] A menos que definido em contrário aqui, termos técnicos usados em conjunto com a presente descrição devem ter os significados que são comumente entendidos pelos versados na técnica. Adicionalmente, a menos que exigido em contrário pelo contexto, termos singulares devem incluir pluralidades e termos plurais devem incluir o singular.
[009] Todas as patentes, pedidos de patente publicados, e publicações de não patente mencionadas no relatório são indicativas do nível de habilidade dos versados na técnica a qual a presente descrição pertence. Todas as patentes, pedidos de patente publicados, e publicações de não patente referidas em qualquer porção deste pedido são aqui expressamente incorporadas por referência em sua totalidade na mesma extensão como se cada patente ou publicação individual fosse especificamente e individualmente indicada como estando incorporada por referência na extensão em que elas não contradizem a presente descrição.
[0010] Todas as composições e/ou métodos descritos aqui podem ser feitos e executados sem experimentação indevida tendo em vista a presente descrição. Embora as composições e métodos da presente descrição tenham sido descritos em termos modalidades ou modalidades preferidas, será aparente para os versados na técnica que variações podem ser aplicadas às composições e/ou métodos e nas etapas ou sequências de etapas dos métodos descritos aqui sem se desviar do conceito, espírito, e escopo da presente descrição. Todos tais substitutos e modificações similares aparentes para os versados na técnica são considerados como estando dentro do espírito, escopo, e conceito da presente descrição.
[0011] Como utilizado de acordo com a presente descrição, os termos seguintes, a menos que indicado em contrário, devem ser entendidos como tendo os significados seguintes.
[0012] O uso da palavra “um” ou “uma”, quando usado em conjunto com o termo “compreendendo”, “incluindo”, “tendo”, ou “contendo” (ou variações de tais termos) pode significar “um”, mas é também consistente com o significado de “um ou mais”, “pelo menos um”, e “um ou mais do que um”.
[0013] O uso do termo “ou” é usado para significar “e/ou” a menos que claramente indicado para se referir apenas a alternativas e somente se as alternativas são mutuamente exclusivas.
[0014] Do início ao fim desta descrição, o termo “cerca de” é usado para indicar que o valor inclui a variação inerente de erro para o dispositivo, mecanismo, ou método de quantificação, ou a variação inerente que existe entre o(s) objeto(s) a ser medido. Por exemplo, mas não como forma de limitação, quando o termo “cerca de” é usado, o valor designado ao qual ele se refere pode variar em mais ou menos dez por cento, ou nove por cento, ou oito por cento, ou sete por cento, ou seis por cento, ou cinco por cento, ou quatro por cento, ou três por cento, ou dois por cento, ou um por cento, ou uma ou mais frações entre os mesmos.
[0015] O uso de “pelo menos um” será entendido como incluindo um, assim como qualquer quantidade de mais do que um, incluindo, mas não limitado a, 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 100, etc. O termo “pelo menos um” pode se estender até 100 ou 1000 ou mais dependendo do termo ao qual ele se refere. Além disso, as quantidades de 100/1000 não devem ser consideradas como limitantes, à medida que limites inferiores ou superiores também podem produzir resultados satisfatórios.
[0016] Além disso, a frase “pelo menos um de X, Y, e Z” será entendida como incluindo X sozinho, Y sozinho, e Z sozinho, assim como qualquer combinação de X, Y, e Z. Igualmente, a frase “pelo menos um de X e Y” será entendida como incluindo X sozinho, Y sozinho, assim como qualquer combinação de X e Y. Adicionalmente, deve ser entendido que a frase “pelo menos um de” pode ser usada com qualquer número de componentes e ter os significados similares como relatados acima.
[0017] O uso da terminologia de número ordinal (isto é, “primeiro”, “segundo”, “terceiro”, “quarto”, etc.) é apenas para fins de diferenciação entre dois ou mais itens e, a menos que especificado em contrário, não se destina a implicar qualquer sequência ou ordem ou importância para um item em relação a outro ou qualquer ordem de adição.
[0018] Como usado aqui, as palavras “compreendendo” (e qualquer forma de compreendendo, tal como “compreende” e “compreendem”), “tendo” (e qualquer forma de tendo, tal como “têm” e “tem”), “incluindo” (e qualquer forma de incluindo, tal como “inclui” e “incluem”) ou “contendo” (e qualquer forma de contendo, tal como “contém” e “contêm”) são inclusivas ou abrangentes e não excluem elementos não citados, adicionais ou etapas do método.
[0019] As frases “ou combinações dos mesmos” e “e combinações dos mesmos” como usadas aqui referem-se a todas as permutações e combinações dos itens listados precedendo o termo. Por exemplo, “A, B, C, ou combinações dos mesmos” é destinado a incluir pelo menos um de: A, B, C, AB, AC, BC, ou ABC e, se ordem é importante em um contexto particular, também BA, CA, CB, CBA, BCA, ACB, BAC, ou CAB. Continuando com este exemplo, expressamente incluídas estão combinações que contêm repetições de um ou mais itens ou termos tais como BB, AAA, CC, AABB, AACC, ABCCCC, CBBAAA, CABBB, e assim por diante. Os versados na técnica entenderão que tipicamente não existe limite no número de itens ou termos em qualquer combinação, a menos que de outro modo aparente no contexto. No mesmo sentido, os termos “ou combinações dos mesmos” e “e combinações dos mesmos” quando usados com as frases “selecionado dentre” ou “selecionado dentre o grupo consistindo de” referem-se a todas as permutações e combinações dos itens listados precedendo a frase.
[0020] As frases “em uma modalidade”, “em uma forma de realização”, “de acordo com uma modalidade”, e similares significam geralmente que o aspecto, estrutura, ou característica particular seguinte a frase está incluída em pelo menos uma modalidade da presente descrição, e pode ser incluída em mais do que uma modalidade da presente descrição. É importante que, tais frases não são limitativas e não se referem necessariamente a mesma modalidade mas, é claro, podem se referir a uma ou mais modalidades precedentes e/ou subsequentes. Por exemplo, nas reivindicações anexas, quaisquer das modalidades reivindicadas podem ser usadas em qualquer combinação.
[0021] Como usado aqui, os termos “% em peso”, “% p/p”, “porcentagem em peso”, ou “porcentagem em peso” são usados de modo intercambiável.
[0022] A frase “substancialmente livre” deve ser usada aqui para significar presente em uma quantidade menor do que 1 por cento em peso, ou menor do que 0,1 por cento em peso, ou menor do que 0,01 por cento em peso, ou alternativamente menor do que 0,001 por cento em peso, com base no peso total da composição citada.
[0023] Como usado aqui, o termo “temperatura ambiente” refere-se à temperatura do ambiente de trabalho ao redor (por exemplo, a temperatura da área, construção ou recinto onde a composição curável é usada), excluindo quaisquer mudanças de temperatura que ocorrem como um resultado da aplicação direta de calor na composição curável para facilitar a cura. A temperatura ambiente é tipicamente entre cerca de 10°C e cerca de 30°C, mais especificamente cerca de 15°C e cerca de 25°C. O termo “temperatura ambiente” é usado de modo intercambiável com “temperatura do recinto” aqui.
[0024] Como usado aqui, os termos “entalpia de cura” e “entalpia de reação” referem-se a energia liberada por um sistema epóxi curável durante o processo de cura. Entalpia de cura é medida usando, por exemplo, calorimetria de varredura diferencial (“DSC”), e é expressa em unidades de Joules por grama (“J/g”). É sabido na técnica que entalpia de cura pode estar diretamente correlacionada com a probabilidade de que uma composição curável experimentará uma exoterma de temperatura durante a cura, especialmente à medida que os ciclos de cura são encurtados. A exoterma de temperatura excedendo a temperatura máxima de cura do sistema epóxi curável pode danificar o sistema epóxi curável, o compósito resultante, e possivelmente os substratos ou moldes presentes quando da cura.
[0025] Como usado aqui, o termo “ciclo de cura” significa o período durante o qual um sistema epóxi curável é aquecido, em que o calor aplicado é (i) aumentado de temperatura ambiente para uma temperatura de cura definida, (ii) mantido a uma temperatura de cura definida por um período de tempo, e (iii) resfriado novamente para temperatura ambiente.
[0026] O termo “taxa de rampa de cura”, abreviado RCR, é usado aqui para significar a taxa em que a temperatura de aquecimento durante o ciclo de cura é aumentada de temperatura ambiente para uma temperatura de cura definida. As unidades da taxa de rampa de cura podem ser expressas como, por exemplo, °C/minuto, BTUs, ou Joules/minuto.
[0027] Como usado aqui, a frase “temperatura de limiar máximo” é usada aqui para significar a temperatura máxima alcançada no centro de uma composição sendo curada ou o centro de uma peça preparada usando processos de formação de compósito conhecidos pelos versados na técnica, incluindo, por exemplo, métodos de processamento de pré-impregnados ou resina líquida.
[0028] Como usado aqui, a frase “temperatura de transição vítrea” (abreviada “Tg”) significa a temperatura na qual as propriedades mecânicas de um material (por exemplo, uma resina curada) mudam radicalmente devido ao movimento interno das cadeias de polímero que formam o material.
[0029] O termo “diglicidil éter de bisfenol C” como usado aqui refere-se ao produto da condensação de tricloroacetal e fenol como ilustrado na fórmula (I) abaixo:
[0030] Os termos “diglicidil éter de bisfenol C”, “BCDGE”, “Bis C diglicidil éter”, “diglicidil éter, bisfenol C”, “DGEBC”, e “bisfenol C” são usados aqui de modo intercambiável e todos se referem ao produto da condensação de tricloroacetal e fenol como definido na fórmula (I).
[0031] Como usado aqui, o termo “CAF” refere-se ao composto 9,9- bis(4-amino-3-clorofenil)fluoreno ilustrado na fórmula (II) abaixo:
[0032] Voltando a presente descrição, foi verificado inesperadamente que um sistema epóxi curável compreendendo (i) um componente epóxi selecionado dentre diglicidil éter de bisfenol C, um ou mais derivados de diglicidil éter de bisfenol C, e combinações dos mesmos, e (ii) 9,9-bis(4- amino-3-clorofenil)fluoreno tem uma entalpia de cura menor do que 300 J/g, em alguns casos, menor do que 200 J/g. Foi ainda mais inesperado que tal sistema epóxi curável também tem uma temperatura de transição vítrea (Tg) maior do que 190°C. A combinação de uma entalpia de cura menor do que 300 J/g e uma Tg maior do que 190°C torna o sistema epóxi curável presentemente reivindicado vantajoso para uso na formação de compósitos industriais, incluindo compósitos para a indústria aeroespacial.
[0033] De acordo com um aspecto, a presente descrição é dirigida a um sistema epóxi curável compreendendo (i) um componente epóxi selecionado dentre diglicidil éter de bisfenol C, um ou mais derivados de diglicidil éter de bisfenol C, e combinações dos mesmos, e (ii) 9,9-bis(4- amino-3-clorofenil)fluoreno (“CAF”).
[0034] O um ou mais derivados de diglicidil éter de bisfenol C são representados pela fórmula (III): em que os anéis são independentemente alifáticos ou aromáticos cíclicos desde que quando os anéis são aromáticos R9 - R20 não são nada e um ou mais de Ri - R4 não é hidrogênio, e em que Ri - R20 são cada independentemente selecionados dentre hidrogênio, halogênios, hidroxilas, alcóxis, alifáticos retos, alifáticos ramificados, alifáticos cíclicos, alifáticos substituídos, alifáticos não substituídos, alifáticos saturados, alifáticos insaturados, aromáticos, poliaromáticos, aromáticos substituídos, hetero-aromáticos, aminas, aminas primárias, aminas secundárias, aminas terciárias, aminas alifáticas, carbonilas, carboxilas, amidas, ésteres, aminoácidos, peptídeos, polipeptídeos, e combinações dos mesmos.
[0035] Para ser claro, quando as linhas tracejadas na fórmula (III) estão ligadas, então os anéis são aromáticos, e quando as linhas tracejadas na fórmula (III) não estão ligadas, então os anéis são alifáticos cíclicos.
[0036] O componente epóxi e CAF estão presentes no sistema epóxi curável a uma razão em peso estequiométrica em uma faixa de i:i a i,4:i, ou i:i a i,3:i, ou i:i a i,2:i do componente epóxi para CAF. Em uma modalidade particular, o componente epóxi e CAF estão presentes no sistema epóxi curável a uma razão em peso estequiométrica de cerca de 1.2:1 do componente epóxi para CAF.
[0037] O sistema epóxi curável pode compreender adicionalmente um componente resina e pelo menos um agente de cura além do CAF.
[0038] O componente resina inclui uma ou mais de uma resina epóxi, uma resina de bismaleimida, um resina fenólica, resinas de éster de cianato, resinas de benzoxazina, ou combinações das mesmas. Em uma modalidade, o componente resina é uma ou mais resinas epóxi.
[0039] Resinas epóxi apropriadas podem incluir as com base em resinas de epóxi glicidílicoe/ou epóxi não glicidílico. Será entendido que epóxis glicidílicos são os preparados através de uma reação de condensação de compostos dihidróxi apropriados, ácido dibásico ou uma diamina e epiclorohidrina. Epóxis não glicidílico são formados tipicamente por peroxidação de ligações duplas olefínicas.
[0040] Agentes de cura propriados incluem os que facilitam a cura dos grupos funcionais epóxi e, particularmente, facilitam a polimerização por abertura de anel de tais grupos funcionais epóxi. Exemplos de agentes de cura apropriados incluem cianoguanidina; aminas, incluindo aminas aromáticas, alifáticas e alicíclicas; derivados de guanidina; anidridos; polióis; ácidos de Lewis; ureias substituídas; imidazóis; hidrazinas; e silicones.
[0041] Em uma modalidade particular, o pelo menos um agente de cura é selecionado dentre uma amina, um anidrido, um poliol, e combinações dos mesmos.
[0042] Exemplos não limitativos de aminas apropriadas como agentes de cura incluem benzenodiamina, 1,3-diaminobenzeno; 1,4-diaminobenzeno; 4,4’-diamino-difenilmetano; poliaminosulfonas, tais como 4,4’- diaminodifenil sulfona (4,4’-DDS), 4-aminofenil sulfona, e 3,3’- diaminodifenil sulfona (3,3’-DDS); dicianpoliamidas, tal como diciandiamida; imidazóis; 4,4’-metilenodianilina; bis(4-amino-3,5- dimetilfenil)-1,4-diisopropilbenzeno; bis(4-aminofenil)-1,4- diisopropilbenzeno; etilenodiamina (EDA); 4,4’-metilenobis-(2,6-dietil)- anilina (MDEA); m-xilenodiamina (mXDA); dietilenotriamina (DETA); trietilenotetramina (TETA); trioxatridecanodiamina (TTDA); 4,4’- metilenobis-(3-cloro,2,6-dietil)-anilina (MCDEA); 4,4’-metilenobis-(2,6- diisopropil)-anilina (M-DIPA); 3,5-dietil tolueno-2,4/2,6-diamina (D-ETDA 80); 4,4’-metilenobis-(2-isopropil-6-metil)-anilina (M-MIPA); 4-clorofenil- N,N-dimetil-ureia; 3,4-diclorofenil-N,N-dimetil-ureia; 9,9-bis(3-metil-4- aminofenil)fluoreno; 9,9-bis(4-aminofenil)fluoreno; diaminociclo-hexano (DACH), isoforonadiamina (IPDA); 4,4'-diamino diciclo-hexil metano; bisaminopropilpiperazina; e N-aminoetilpiperazina.
[0043] Em uma modalidade particular, o pelo menos um agente de cura é 4,4’-diaminodifenil sulfona.
[0044] Exemplos não limitativos de anidridos apropriados como agentes de cura incluem anidridos policarboxílicos, tais como anidrido nádico, anidrido metilnádico, anidrido ftálico, anidrido tetra-hidroftálico, anidrido hexa-hidroftálico, anidrido metiltetra-hidroftálico, anidrido metilhexa-hidroftálico, anidrido endometilenotetra-hidroftálico, anidrido hexacloroendometileno-tetra-hidroftálico, anidrido trimelítico, dianidrido piromelítico, anidrido maleico, anidrido succínico, anidrido nonenilsuccínico, anidrido dodecenilsuccínico, polianidrido polisebácico, e polianidrido poliazelaico.
[0045] Exemplos não limitativos de polióis apropriados como agentes de cura incluem etileno glicol, poli(propileno glicol), e álcool polivinílico.
[0046] Agentes de cura adicionais incluem resinas de fenol- formaldeído, tais como: a resina de fenol-formaldeído tendo um peso molecular médio de cerca de 550-650 Daltons, a resina de p-t-butilfenol- formaldeído tendo um peso molecular médio de cerca de 600-700 Daltons, e a resina dep-n-octilfenol-formaldeído, tendo um peso molecular médio de cerca de 1200-1400 Daltons, estas estando disponíveis como HRJ 2210, HRJ-2255, e SP-1068, respectivamente, da Schenectady Chemicals, Inc., Schenectady, N.Y.
[0047] O sistema epóxi curável pode incluir adicionalmente pelo menos um aditivo selecionado dentre uma partícula termoplástica, um flexibilizador, um agente de tenacidade, um acelerador, uma borracha de núcleo envoltório, um agente de umedecimento, um retardante de chama, um pigmento ou corante, um plastificante, um absorvedor de UV, um modificador de viscosidade, uma carga, uma partícula condutora, um modificador de viscosidade, e combinações dos mesmos.
[0048] Exemplos não limitativos da partícula termoplástica incluem polietersulfonas, polieterimidas, e polisulfonas que são solúveis no componente epóxi e/ou no componente resina.
[0049] Exemplos do agente de tenacidade incluem, sem limitação, poliamidas, copoliamidas, poli-imidas, aramidas, policetonas, polieteretercetonas, éteres de poliarileno, poliésteres, poliuretanos, polisulfonas, polietersulfonas, polímeros de hidrocarboneto de alto desempenho, polímeros de cristal líquido, PTFE, elastômeros, elastômeros segmentados tais como borrachas líquidas reativas à base de homo ou copolímeros de acrilonitrila, butadieno, estireno, ciclopentadieno, acrilato, borrachas de poliuretano, e poliéter sulfona (PES) ou partículas de borracha de núcleo envoltório.
[0050] Exemplos não limitativos dos aceleradores incluem compostos contendo ureia tais como, por exemplo, 3-(3,4-Diclorofenil)-1,1-dimetilureia, 3-(4-Clorofenil)-1,1-dimetilureia, e 3,3'-(4-metil-1,3-fenileno)bis(1,1- dimetilureia).
[0051] Em uma modalidade, o pelo menos um aditivo está presente no sistema epóxi curável em uma quantidade menor do que 35% em peso, ou menor do que 30% em peso, ou menor do que 25% em peso do sistema epóxi curável.
[0052] A quantidade combinada do componente epóxi e CAF presentes no sistema epóxi curável é maior do que 35% em peso, ou maior do que 40% em peso, ou maior do que 50% em peso, ou maior do que 60% em peso, ou maior do que 70% em peso, ou maior do que 80% em peso do sistema epóxi curável.
[0053] Em uma modalidade particular, o sistema epóxi curável tem uma entalpia de cura de menor do que 300 J/g, ou menor do que 250 J/g, ou menor do que 200 J/g. Em outra modalidade, o sistema epóxi curável tem uma entalpia de cura na faixa de 150 J/g a 300 J/g, ou de 175 J/g a 300 J/g, ou de 200 J/g a 300 J/g, ou de 200 J/g a 250 J/g.
[0054] Em uma modalidade preferida, o sistema epóxi curável tem uma entalpia de cura de menor do que 300 J/g, ou menor do que 250 J/g, ou menor do que 200 J/g, e uma Tg de maior do que 190°C. Em outra modalidade preferida, o sistema epóxi curável tem uma entalpia de cura na faixa de 150 J/g a 300 J/g, ou de 175 J/g a 300 J/g, ou de 200 J/g a 300 J/g, ou de 200 J/g a 250 J/g e uma Tg de maior do que 190°C.
[0055] Em outra modalidade, o sistema epóxi curável tem uma entalpia de cura de menor do que 300 J/g, ou menor do que 250 J/g, ou menor do que 200 J/g quando consistindo do componente epóxi e 9,9-bis(4-amino-3- clorofenil)fluoreno.
[0056] De acordo com outro aspecto, a presente descrição é dirigida a um método de cura do sistema epóxi curável. O método compreende aquecer o sistema epóxi curável a uma temperatura de cura definida na faixa de cerca de 100 a 220°C, ou de cerca de 120 a 200°C, ou de cerca de 140 a 180°C por um tempo suficiente para produzir um compósito pelo menos parcialmente curado. O tempo suficiente para produzir um compósito pelo menos parcialmente curado pode estar em uma faixa de cerca de 2 minutos a 24 horas, ou de cerca de 15 minutos a 10 horas, ou de cerca de 30 minutos a cerca de 2 horas.
[0057] A temperatura de cura definida é atingida pelo aquecimento do sistema epóxi curável a uma taxa de rampa de cura em uma faixa de cerca de 0,1°C por minuto a cerca de 25°C por minuto, ou de cerca de 0,5°C por minuto a cerca de 10°C por minuto, ou de cerca de 1°C por minuto a cerca de 10°C por minuto, ou de cerca de 2°C por minuto a cerca a 10°C por minuto, ou de cerca de 3°C por minuto a cerca de 10°C por minuto, ou de cerca de 4°C por minuto a cerca de 10°C por minuto, ou de cerca de 5°C por minuto a cerca de 10°C por minuto, ou de maior do que 5°C por minuto a cerca de 25°C, ou de 6°C por minuto a cerca de 10°C por minuto, ou de 7°C por minuto a cerca de 10°C por minuto até que a temperatura de cura definida seja alcançada.
[0058] Em uma modalidade alternativa, a temperatura de cura definida é alcançada imediatamente (por exemplo, através de um forno pré- aquecido), e o sistema epóxi curável é aquecido na temperatura de cura definida por um tempo suficiente para produzir um compósito pelo menos parcialmente curado. Esta técnica é usada em, por exemplo, métodos de processamento de resina líquida (por exemplo, moldagem por injeção).
[0059] Em uma modalidade particular quando o sistema epóxi curável é revestido, em camadas, injetado, despejado, ou similarmente depositado em um substrato ou em um molde com uma espessura na faixa de 0,5 a 15 mm, ou de 1 a 15 mm, ou de 2 a 15 mm, o método de cura do sistema epóxi curável em tal espessura compreende aquecer o sistema epóxi curável a uma temperatura de cura definida de cerca de 150°C a cerca de 220°C, ou de cerca de 160°C a 200°C, ou de cerca de 170°C a cerca de 190°C, ou de cerca de 175°C a cerca de 185°C, por um tempo em uma faixa de cerca de 1 hora a 4 horas, ou de cerca de 1,5 horas a cerca de 2,5 horas, ou de cerca de 1,75 horas a cerca de 2,25 horas, ou cerca de 2 horas.
[0060] Em outra modalidade particular quando o sistema epóxi curável é revestido, em camadas, injetado, despejado, ou similarmente depositado em um substrato ou em um molde com uma espessura maior do que 15 mm (por exemplo, 15 mm a 60 mm, ou de 15 mm a 50 mm), o método de cura do sistema epóxi curável em tal espessura compreende (i) aquecer o sistema epóxi curável a uma temperatura de cura definida de cerca de 120°C a cerca de 220°C, ou de cerca de 130°C a 170°C, ou de cerca de 140°C a cerca de 160°C, ou de cerca de 145°C a cerca de 155°C, ou a cerca de 150°C por um tempo na faixa de cerca de 2 horas a cerca de 4 horas, ou de cerca de 2,5 horas a cerca de 3,5 horas, ou de cerca de 2,75 horas a cerca de 3,25 horas, ou cerca de 3 horas, e então (ii) aquecer o sistema epóxi curável a uma temperatura de cura definida de cerca de 150°C a cerca de 220°C, ou de cerca de 160°C a 200°C, ou de cerca de 170°C a cerca de 190°C, ou de cerca de 175°C a cerca de 185°C, por um tempo em uma faixa de cerca de 1 hora a 4 horas, ou de cerca de 1,5 horas a cerca de 2,5 horas, ou de cerca de 1,75 horas a cerca de 2,25 horas, ou cerca de 2 horas.
[0061] Em uma modalidade preferida, a diferença entre a temperatura de cura definida e a temperatura máxima alcançada no centro do sistema epóxi curável durante a cura é menor do que 20°C, ou menor do que 15°C, ou menor do que 10°C, ou menor do que 5°C, ou menor do que 2 °C, ou menor do que 1°C.
[0062] Em outro aspecto, a presente descrição é dirigida a compósitos produzidos pela cura do sistema epóxi curável como descrito aqui.
[0063] Em ainda outro aspecto, a presente descrição é dirigida a um sistema epóxi curável reforçado com fibra compreendendo o sistema epóxi curável descrito aqui e um material fibroso.
[0064] O material fibroso pode ser fibras naturais ou sintéticas ou qualquer outra forma de material ou combinação de materials que, combinados com o sistema epóxi curável descrito aqui e curados, formam um produto compósito. O material fibroso pode estar na forma de uma tela ou estopas de reforço e pode ser provido ou através de carretéis de fibra que são desenrolados ou de um rolo de têxtil e podem estar na forma aleatória, tricotada, não tecida, multi-axial, ou qualquer outro padrão apropriado. O material fibroso também pode ser pré-conformado (isto é, uma pré-forma fibrosa).
[0065] Fibras exemplares incluem vidro, carbono, grafite, boro, basalto, cânhamo, gramas marinhas, feno, linho, palha, coco, cerâmica e aramida. Sistemas de fibra híbrida ou mista também podem ser contemplados. O uso de fibras rachadas (isto é, rompidas por estiramento) ou seletivamente descontínuas pode ser vantajoso para facilitar a disposição do produto e melhorar sua capacidade de ser conformado. Embora um alinhamento de fibra unidirecional seja preferível para aplicações estruturais, outras formas também podem ser usadas. Formas têxteis típicas incluem tecidos têxteis simples, tecidos de malha, tecidos de sarja e tecelagens de cetim. Também é possível contemplar o uso de camadas de fibra não tecida ou não encrespadas. A massa de superfície de fibras dentro do reforço fibroso é geralmente 804000 g/m2, preferivelmente 100-2500 g/m2, e especialmente preferivelmente 150-2000 g/m2. O número de filamentos de carbono por estopa pode variar de 3000 a 320,000, novamente preferivelmente e 6,000 a 160,000 e o mais preferivelmente de 12,000 a 48,000. Para reforços de fibra de vidro, fibras de 600-2400 tex são particularmente eficazes.
[0066] Camadas exemplares de estopas fibrosas unidirecionais são feitas de fibras de carbono HexTow®, que estão disponíveis na Hexcel Corporation (Stamford, CT, USA). Fibras de carbono HexTow® apropriadas para uso na fabricação de estopas de fibra unidirecional incluem: firas de carbono IM7, que estão disponíveis como estopas que contêm 6,000 ou 12,000 filamentos e peso de 0,223 g/m e 0,446 g/m respectivamente; fibras de carbono IM8-IM10, que estão disponíveis como estopas que contêm 12,000 filamentos e peso de 0,446 g/m a 0,324 g/m; e fibras de carbono AS7 que estão disponíveis em estopas que contêm 12,000 filamentos e peso de 0,800 g/m, estopas contendo até 80,000 ou 50,000 (50K) filamentos podem ser usadas tais como contendo cerca de 25,000 filamentos disponíveis na Toray (Chuo, Tokyo, Japão), e as contendo cerca de 50,000 filamentos disponíveis na Zoltek (St. Louis, MO, USA. As estopas têm tipicamente uma largura de 3 a 7 mm e são alimentadas para impregnação no equipamento empregando pentes para segurar as estopas e manter as mesmas paralelas e unidirecionais.
[0067] Em uma modalidade, o sistema epóxi curável reforçado com fibra está na forma de um pré-impregnado. O termo “pré-impregnado” é usado para descrever um material fibroso impregnado com uma resina no estado não curado ou parcialmente curado e pronto para cura. O material fibroso dos pré-impregnados será substancialmente impregnado com o sistema epóxi curável descrito aqui e pré-impregnados com um teor de sistema epóxi curável de 20 a 85% em peso do peso do pré-impregnado total são preferidos, ou mais preferivelmente com 30 a 50% em peso do sistema epóxi curável com base no peso do pré-impregnado. Os pré-impregnados desta invenção podem ser produzidos impregnando o material fibroso com o sistema epóxi curável. A fim de aumentar a taxa de impregnação, o processo é realizado preferivelmente em uma temperatura elevada de modo que a viscosidade da resina é reduzida. No entanto, não deve estar tão quente por um período de tempo suficiente que a cura prematura do sistema epóxi curável ocorra. Assim, o processo de impregnação é realizado preferivelmente a temperaturas na faixa de 20°C a 90°C. A resina pode ser aplicada no material fibroso a uma temperatura nesta faixa e consolidada no material fibroso por pressão, tal como exercida pela passagem através de um ou mais pares de rolos de aperto.
[0068] O pré-impregnado da presente descrição pode ser preparado alimentando os componentes em um misturador contínuo onde uma mistura homogênea é formada. A mistura é realizada tipicamente a uma temperatura na faixa de 35 a 180°C, ou 35 a 150°C, ou 35 a 120°C, ou 35 a 80°C. A mistura pode ser então resfriada e granulada ou floculada para armazenamento. Alternativamente, a mistura pode ser alimentada diretamente do misturador contínuo em uma linha de pré-impregnado onde ela é depositada sobre uma camada fibrosa em movimento e consolidada na camada fibrosa, usualmente por passagem através de rolos de aperto. O pré- impregnado pode ser então enrolado e armazenado, ou transportado para o local em que ele deve ser usado.
[0069] Em outra modalidade, o sistema epóxi curável reforçado com fibra compreende um material fibroso na forma de uma pré-forma fibrosa, e preparado usando processamento de resina líquida. Processamento de resina líquida compreende infundir o material fibroso (por exemplo, uma pré-forma fibrosa) em um molde, tipicamente com ou sem pressão para esticar o sistema epóxi curável através de uma pilha ou formato pré-formado do material fibroso. A velocidade e distância para infundir o material fibroso são dependentes da permeabilidade do material fibroso, do gradiente de pressão agindo no sistema epóxi curável infundido e da viscosidade do sistema epóxi curável. Apropriadamente o sistema epóxi curável é esticado através da pilha de reforço a uma temperatura na faixa de cerca de 35 a 200° C, ou 35 a 180°C, ou 35 a 150°C, ou 35 a 120°C, ou 35 a 80°C.
[0070] De acordo com outro aspecto, a presente descrição é dirigida a um método de cura do sistema epóxi curável reforçado com fibra compreendendo aquecer o sistema epóxi curável reforçado com fibra a uma temperatura de cura definida na faixa de cerca de 100 a 220°C, ou de cerca de 120 a 200°C, ou de cerca de 140 a 180°C por um tempo suficiente para produzir um compósito pelo menos parcialmente curado. O tempo suficiente para produzir um compósito pelo menos parcialmente curado pode ser em uma faixa de cerca de 2 minutos a 24 horas, ou de cerca de 15 minutos a 10 horas, ou de cerca de 30 minutos a cerca de 2 horas.
[0071] A temperatura de cura definida é atingida pelo aquecimento do sistema epóxi curável reforçado com fibra a uma taxa de rampa de cura em uma faixa de cerca de 0,1°C por minuto a cerca de 25°C por minuto, ou de cerca de 0,5°C por minuto a cerca de 10°C por minuto, ou de cerca de 1°C por minuto a cerca de 10°C por minuto, ou de cerca de 2°C por minuto a cerca de 10°C por minuto, ou de cerca de 3 °C por minuto a cerca de 10°C por minuto, ou de cerca de 4°C por minuto a cerca de 10°C por minuto, ou de cerca de 5°C por minuto a cerca de 10°C por minuto, ou de maior do que 5°C por minuto a cerca de 25°C, ou de 6°C por minuto a cerca de 10°C por minuto, ou de 7°C por minuto a cerca de 10°C por minuto até que uma temperatura de cura definida seja alcançada.
[0072] Em uma modalidade alternativa, a temperatura de cura definida é imediatamente alcançada (por exemplo, através de um forno pré- aquecido), e o sistema epóxi curável reforçado com fibra é aquecido a uma temperatura de cura definida por um tempo suficiente para produzir um compósito pelo menos parcialmente curado. Esta técnica é usada em, por exemplo, métodos de processamento de resina líquida (por exemplo, moldagem por injeção).
[0073] Em uma modalidade particular quando o sistema epóxi curável reforçado com fibra é revestido, em camadas, injetado, despejado, ou similarmente depositado em um substrato ou em um molde com uma espessura na faixa de 0,5 a 15 mm, ou de 1 a 15 mm, ou de 2 a 15 mm, o método de cura do sistema epóxi curável reforçado com fibra em tal espessura compreende o aquecimento do sistema epóxi curável a uma temperatura de cura definida de cerca de 150°C a cerca de 220°C, ou de cerca de 160°C a 200°C, ou de cerca de 170°C a cerca de 190°C, ou de cerca de 175°C a cerca de 185°C, por um tempo em uma faixa de cerca de 1 hora a 4 horas, ou de cerca de 1,5 horas a cerca de 2,5 horas, ou de cerca de 1,75 horas a cerca de 2,25 horas, ou cerca de 2 horas.
[0074] Em outra modalidade particular quando o sistema epóxi curável reforçado com fibra é revestido, em camadas, injetado, despejado, ou similarmente depositado em um substrato ou em um molde com uma espessura maior do que 15 mm (por exemplo, 15 mm a 60 mm, ou de 15 mm a 50 mm), o método de cura do sistema epóxi curável reforçado com fibra com tal espessura compreende (i) aquecer o sistema epóxi curável reforçado com fibra a uma temperatura de cura definida de cerca de 120°C a cerca de 220°C, ou de cerca de 130°C a 170°C, ou de cerca de 140°C a cerca de 160°C, ou de cerca de 145°C a cerca de 155°C, ou a cerca de 150°C por um tempo na faixa de cerca de 2 horas a cerca de 4 horas, ou de cerca de 2,5 horas a cerca de 3,5 horas, ou de cerca de 2,75 horas a cerca de 3,25 horas, ou cerca de 3 horas, e então (ii) aquecer o sistema epóxi curável reforçado com fibra a uma temperatura de cura definida de cerca de 150°C a cerca de 220°C, ou de cerca de 160°C a 200°C, ou de cerca de 170°C a cerca de 190°C, ou de cerca de 175°C a cerca de 185°C, por um tempo em uma faixa de cerca de 1 hora a 4 horas, ou de cerca de 1,5 horas a cerca de 2,5 horas, ou de cerca de 1,75 horas a cerca de 2,25 horas, ou cerca de 2 horas.
[0075] Em uma modalidade preferida, a diferença entre a temperatura de cura definida e a temperatura máxima alcançada no centro do sistema epóxi curável reforçado com fibra durante a cura é menor do que 20°C, ou menor do que 15°C, ou menor do que 10°C, ou menor do que 5°C, ou menor do que 2°C, ou menor do que 1°C.
[0076] Em outro aspecto, a presente descrição é dirigida a compósitos produzidos pela cura do sistema epóxi curável reforçado com fibra como descrito aqui.
[0077] Os compósitos descritos aqui podem ser usados para qualquer fim planejado, incluindo, por exemplo, em veículos automotivos e aeroespaciais, particularmente, para uso em aeronaves comerciais e militares. Os compósitos também podem ser usados para outras aplicações estruturais para produzir peças e estruturas contendo carga em geral, por exemplo, elas podem ser usadas nas longarinas ou pás de turbina eólica, e em artigos esportivos tais como esquis.
EXEMPLOS
[0078] Exemplos são providos abaixo. No entanto, a presente descrição deve ser entendida como não sendo limitada em sua aplicação aos experimentos, resultados, e procedimentos de laboratório específicos descritos aqui abaixo. Em vez disso, os exemplos são providos simplesmente como uma de várias modalidades e são destinados a serem exemplares e não exaustivos. Tabela 1
Exemplos Comparativos 1 - 1E
[0079] Exemplos comparativos (“Comp.”) 1 - 1E foram formulados usando os componentes mostrados na Tabela 2 abaixo. Para cada dos Exemplos Comparativos 1 - 1E, um epóxi foi misturado com agente de cura Aradur® 9664-1 a uma razão em peso estequiométrica de 1:1 e a 23°C por 5 minutos até que uma mistura homogênea foi obtida. A quantidade (em gramas) para cada componente é provida na Tabela 2. Tabela 2
[0080] Um calorímetro de varredura diferencial Q-2000 da TA Instruments foi usado para determinar o início de temperaturas de reação, temperaturas de pico, e entalpias de cura para cada dos Exemplos Comparativos 1-1E relatados acima. As amostras foram aquecidas de 25°C a 350°C a uma taxa de rampa de cura de 10°C/minuto. Adicionalmente, a Tg para Exemplos Comparativos 1-1E foi medida usando DSC, assim como análise mecânica dinâmica (“DMA”) durante um programa de cura de 2 horas a 180°C. A Tg medida por DMA foi determinada usando o analisador mecânico dinâmico TA Q 800 com: cantilever único/duplo, modo de dobra de 3 pontos, e amostras de até 50 mm de comprimento, 15 mm de largura, e 7 mm de espessura. Tabela 3 detalha o início de temperatura de reação, temperatura de pico, entalpia, e Tg para cada dos Exemplos Comparativos 1 - 1E. Tabela 3
Exemplos Comparativos 2 - 2B e Exemplo 2C
[0081] Exemplos Comparativos 2-2B e Exemplo 2C foram formulados usando os componentes mostrados na Tabela 4 abaixo. Para cada dos Exemplos Comparativos 2 - 2B, diglicidil éter de bisfenol C (“BCDGE”) foi misturado ou com agente de cura Aradur® 9664-1, agente de cura Aradur® 9719-1, ou agente de cura Aradur® 5200 US a uma razão em peso estequiométrica de 1:1 e a 23°C por 5 minutos até que uma mistura homogênea foi obtida. Exemplo 2C seguiu um procedimento similar exceto que 9,9-bis(4-amino-3-clorofenil)fluoreno (“CAF”) foi usado como o agente de cura. A quantidade (em gramas) para cada componente é provida na Tabela 4. Tabela 4
[0082] DSC também foi usado para determinar o início de temperaturas de reação, temperaturas de pico, e entalpias para cada dos exemplos 2-2C relatados acima. As amostras foram aquecidas de 25°C a 350°C a uma taxa de rampa de cura de 10°C/minuto. A Tg para cada dos Exemplos Comparativos 2-2B foi medida usando DSC, assim como análise mecânica dinâmica durante um programa de cura de 2 horas a 180°C. O analisador mecânico dinâmico TA Q 800, como descrito acima, foi usado para a Tg medida por DMA. A Tg, por exemplo, 2C foi medida similarmente usando um programa de cura de 3 horas a 180°C. Tabela 5 detalha o início de temperatura de reação, temperatura de pico, entalpia, e Tg para cada dos Exemplos Comparativos 2 - 2B e Exemplo 2C. Tabela 5
Exemplos de Pré-impregnados
[0083] Tabela 6 relata as formulações para Exemplo Comparativo 3 e Exemplo 3A que foram usadas para formar pré-impregnados. Os componentes na Tabela 6 são providos em gramas. Tabela 6
[0084] Exemplo Comparativo 3 foi preparado misturando primeiro resina trifuncional Araldite® MY 0610, resina Araldite® MY 721, e resina Araldite® GY 285 a uma temperatura mantida entre 90°C a 100°C até que uma mistura homogênea foi obtida. PES VW -10200 RSFP (“PES”) foi então adicionado à mistura e aquecido a uma temperatura mantida entre 120°C a 130°C até que todo o PES dissolveu. A mistura foi então deixada resfriar e Poliamida 6 Orgasol® 1002 D Nat 1 e Copoliamida 6/12 Orgasol® 3502 D Nat 1 foram adicionadas sob alto cisalhamento (isto é, 2000 - 2500 rpm) por 10 a 20 minutos. A mistura foi então descarregada a 100°C em uma superfície e deixada resfriar a temperatura ambiente.
[0085] Exemplo 3A foi preparado misturando primeiro resina LME 10169, resina trifuncional Araldite® MY 0510, e BCDGE a uma temperatura mantida entre 70°C a 90°C até que uma mistura homogênea foi obtida. CAF foi então adicionado e misturado sob alto cisalhamento (isto é, 2000 - 2500 rpm) por 30 minutos. Agente de tenacidade de poli-imida foi ainda adicionado à mistura sob alto cisalhamento por 10 a 20 minutos enquanto a temperatura foi mantida abaixo de 90°C. A mistura foi então descarregada a 90°C em uma superfície e deixada resfriar a temperatura ambiente.
[0086] Exemplo Comparativo 3 e Exemplo 3A foram então analisados por DSC para determinar entalpias para cada um aquecendo individualmente amostras dos mesmo de 25°C a 350°C a uma taxa de rampa de cura de 10°C/minuto. A Tg para Exemplo Comparativo 3 e Exemplo 3A foi medida usando análise mecânica dinâmica (“DMA”) para um programa de cura de 3 horas a 180°C. O analisador mecânico dinâmico TA Q 800, como descrito acima, para a Tg medida por DMA. Tabela 7 detalha a entalpia e Tg para Exemplo Comparativo 3 e Exemplo 3A. Tabela 7
[0087] Exemplo Comparativo 3 e Exemplo 3A foram então usados para formar pré-impregnados individualmente por: (i) fusão a quente das composições de exemplo comparativo 3 e exemplo 3A em um revestidor de rolos para criar películas e (ii) impregnar as películas com fibras de carbono IM7 unidirecionais, e (iii) deixar as películas impregnadas de fibra resfriar a temperatura ambiente. Detalhes específicos com relação aos pré-impregnados, incluindo propriedades mecânicas obtidas após cura a 180°C por 3 horas, são providos na Tabela 8. Os procedimentos seguintes foram usados para obter as medições relatadas na Tabela 8.
Teste de Resistência a Cisalhamento Interlaminar (ILSS)
[0088] O ILSS dos exemplos de pré-impregnados estavam usando ASTM D2344.
[0089] O ILSS dos exemplos de pré-impregnados também foi avaliada usando ASTM D2344 após submeter os exemplos de pré- impregnados a água fervendo por 72 horas (o “processo a úmido quente de 72 horas”).
[0090] Uma retenção percentual foi calculada com base na medição ILSS a seco inicial e o ILSS médio após o processo a úmido quente de 72 horas.
Resistência à Tração, Módulo, e Deformação
[0091] A resistência à tração, módulo, e deformação para os exemplos de pré-impregnados foi medida usando ASTM D3039.
[0092] A resistência à tração, módulo, e deformação dos exemplos de pré-impregnados também foi avaliada usando ASTM D3039 após submeter as amostras a água fervendo por 72 horas.
[0093] A retenção percentual para a resistência à tração e módulo foi calculada com base nas medições iniciais a seco, e as medições obtidas usando o processo a úmido quente de 72 horas.
Resistência à Compressão e Módulo
[0094] Resistência à compressão e módulo para os exemplos de pré- impregnados foram medidas usando ASTM D695.
Compressão Após Impacto (“CAI”)
[0095] Medições de CAI e módulo para os exemplos de pré- impregnados foram obtidas usando ASTM D7136 e ASTM D7137. Tabela 8
[0096] Exemplo Comparativo 3 representa uma formulação de pré- impregnado de tipo aeroespacial reforçado exemplar à base predominantemente de resina Araldite® MY 721, resina trifuncional Araldite® MY 0510, e agente de cura Aradur® 9664-1. Esta formulação exibe um bom equilíbrio de propriedades térmicas e mecânicas; no entanto, como típico de formulações conhecidas na técnica, esta formulação tem uma entalpia de reação caracteristicamente alta de 523 J/g.
[0097] A formulação do Exemplo 3A é projetada para ter propriedades térmicas e mecânicas comparáveis à formulações tais como Exemplo Comparativo 3; no entanto, como o Exemplo 3A também contém uma combinação de CAF e BCDGE a entalpia de reação é apenas 237 J/g.
Comportamento de Cura
[0098] Para avaliar o comportamento de cura previsível do Exemplo 3A e Exemplo Comparativo 3, simulações de peças à base de fibra de carbono infundidas com Exemplo 3A e Exemplo Comparativo 3 foram realizadas usando a equação seguinte: em que α é o grau de cura, K1 e K2 são coeficientes de taxas determinados pela equação de Arrhenius, r N1, N2, M1, r M2 são ordens de reação determinadas experimentalmente. As variáveis na equação mencionada acima foram determinadas analisando primeiro o Exemplo Comparativo 3 e Exemplo 3A usando um calorímetro de varredura diferencial Q-2000 da TA Instruments com taxas de rampa variadas e isotérmicas para criar um fluxo de calor DSC, e então inserindo tais dados no programa de software Thermokinetics disponível na NETZSCH-Geratebau GmbH (Selb, Alemanha). A equação mencionada acima foi usada então para realizar simulações para determinar o grau de cura como uma função de tempo para uma variedade de propriedades.
[0099] Em particular, três propriedades diferentes foram individualmente variadas nas simulações para avaliar seu efeito provável no comportamento de cura das peças. Tais propriedades incluíram: taxa de rampa de cura (VER, Tabela 9), volume (VER, Tabela 10), e espessura da peça (VER, Tabela 11).
[00100] Para estudar o efeito na temperatura e comportamento de cura das peças, cinco parâmetros foram investigados e relatados para cada formulação a temperatura de limiar máximo, que mostra a temperatura máxima alcançada no centro da peça; ΔT1, que é a diferença entre a temperatura definida no perfil de cura e a temperatura máxima alcançada no centro da peça; ΔT2, que é a diferença entre a temperatura máxima alcançada no centro e a temperatura máxima alcançada na superfície da peça; e ΔT1 por espessura da peça e ΔT2 por espessura da peça, que padroniza os dois valores e compara os mesmos com várias espessuras.
Taxas de Rampa de Cura Variáveis
[00101] Peças à base de fibra de carbono contendo Exemplo Comparativo 3 e Exemplo 3A e tendo uma espessura de 15 mm e uma fração em volume de fibra de 60% foram avaliadas. Cada amostra foi avaliada usando um perfil de cura de 2 horas a 180°C e uma taxa de rampa de cura diferente como especificado na Tabela 9. Tabela 9
[00102] Tabela 9 demonstra que o aumento da taxa de rampa de cura resulta em limiar mais alto. No entanto, os valores ΔT1 e ΔT2 para o Exemplo 3A são significativamente mais baixos do que os obtidos para o Exemplo Comparativo 3. Isto demonstra que é previsto que o Exemplo 3A pode ser curado muito mais rápido e com grau maior de uniformidade em comparação com o Exemplo Comparativo 3.
Volume de Fração de Fibra Variável
[00103] Peças à base de fibra de carbono contendo o Exemplo Comparativo 3 e Exemplo 3A e tendo uma espessura de 15 mm e uma fração em volume de fibra variando entre 60% 55%, e 50% foram avaliadas. Cada amostra foi avaliada usando um perfil de cura de 2 horas a 180°C e uma taxa de rampa de cura de 3°C/minuto. Os cinco parâmetros medidos para cada amostra são relatados abaixo na Tabela 10. Tabela 10
[00104] Tabela 10 demonstra que a fração em volume de fibra mais alta (ou teor de resina mais baixo) em uma peça compósita é prevista para resultar em uma temperatura de limiar reduzida. A peça com fração em volume de fibra mais alto tem menos quantidade de resina, reduzindo o efeito de geração localizada de calor devido à reações exotérmicas de cura. Os dados apresentados na Tabela 10 também confirmam a conclusão discutida previamente que o Exemplo 3A oferece um desvio térmico significativamente menor da temperatura definida durante o processo de cura em comparação com o Exemplo Comparativo 3.
Espessura Variável da Peça
[00105] Peças à base de fibra de carbono contendo o Exemplo Comparativo 3 e Exemplo 3A e tendo uma espessura variando entre 5 e 55 mm e um volume em fração de fibra de 60% foram avaliadas. Um programa de cura de 2 horas a 180°C e uma taxa de rampa de cura de 1°C/minuto foi usado para as peças com uma espessura de 5 e 15 mm (isto é, amostras 8 e 9). Um perfil de cura com duas pausas foi usado para peças com uma espessura de 30 e 50 (isto é, amostras 10 e 11): 3 horas a 150°C seguido por 2 horas a 180°C e uma taxa de rampa de cura de 1°C/minuto. Os cinco parâmetros medidos para cada amostra são relatados abaixo na Tabela 11. Tabela 11
[00106] Tabela 11 mostra o efeito previsto de espessura da peça na temperatura de limiar para as duas formulações. Tabela 11 demonstra claramente a significância do fenômeno exotérmico durante a cura de compósitos exotérmicos. Um limiar de 6,8 a 59,3°C é previsto para o Exemplo Comparativo 3 enquanto o limiar para o Exemplo 3A é apenas 2,7 a 16,7°C.

Claims (16)

1. Sistema epóxi curável, caracterizado pelo fato de que compreende um componente epóxi selecionado dentre diglicidil éter de bisfenol C, um ou mais derivados de diglicidil éter de bisfenol C, e combinações dos mesmos; e 9,9-bis(4-amino-3-clorofenil)fluoreno (CAF), em que o componente epóxi e o CAF estão presentes no sistema epóxi curável a uma razão em peso estequiométrica em uma faixa de 1:1 a 1,4:1 do componente epóxi para CAF; em que o um ou mais derivados de diglicidil éter de bisfenol C são representados pela fórmula (III): em que os anéis são independentemente alifáticos ou aromáticos cíclicos desde que quando os anéis são aromáticos R9 - R20 não são nada e um ou mais de Ri - R4 não é hidrogênio, e em que Ri - R20 são cada independentemente selecionados dentre hidrogênio, halogênios, hidroxilas, alcóxis, alifáticos retos, alifáticos ramificados, alifáticos cíclicos, alifáticos substituídos, alifáticos não substituídos, alifáticos saturados, alifáticos insaturados, aromáticos, poliaromáticos, aromáticos substituídos, hetero-aromáticos, aminas, aminas primárias, aminas secundárias, aminas terciárias, aminas alifáticas, carbonilas, carboxilas, amidas, ésteres, aminoácidos, peptídeos, polipeptídeos, em que o sistema epóxi curável tem uma entalpia de cura menor do que 300 J/g e uma Tgmaior do que i90°C.
2. Sistema epóxi curável de acordo com a reivindicação i, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente pelo menos um de um componente resina e um agente de cura selecionado dentre uma amina, um anidrido, um poliol, e combinações dos mesmos.
3. Sistema epóxi curável de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o agente de cura é uma amina aromática selecionada dentre 1,3-diaminobenzeno, 1,4-diaminobenzeno, 4,4’diamino- difenilmetano, 4,4’-diaminodifenil sulfona, 4-aminofenil sulfona, 3,3’- diaminodifenil sulfona, 4,4’-metilenobis(3-cloro-2,6-dietilanilina), 4,4’- metilenobis(2,6-dietilanilina), e combinações dos mesmos.
4. Sistema epóxi curável de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a quantidade combinada do componente epóxi e 9,9-bis(4-amino-3-clorofenil)fluoreno é maior do que 40% em peso com base no peso do sistema epóxi curável.
5. Método para produzir um compósito, caracterizado pelo fato de que compreende aquecer o sistema epóxi curável como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 4 a uma temperatura de cura definida em uma faixa de 100°C a 220°C por um tempo suficiente para produzir um compósito pelo menos parcialmente curado.
6. Método de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a temperatura de cura definida é atingida pelo aquecimento do sistema epóxi curável a uma taxa de rampa de cura em uma faixa de 0,5°C por minuto a 25°C por minuto da temperatura ambiente, em que a temperatura ambiente está entre 10°C e 30°C.
7. Método de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a diferença entre a temperatura de cura definida e a temperatura máxima alcançada no centro do sistema epóxi curável é menor do que 20°C.
8. Compósito, caracterizado pelo fato de ser obtido pelo método como definido em qualquer uma das reivindicações 5 a 7.
9. Pré-impregnado, caracterizado pelo fato de que compreende um material fibroso em contato com o sistema epóxi curável como definido na reivindicação 1.
10. Método para produzir uma estrutura compósita reforçada com fibra, caracterizado pelo fato de que compreende colocar em contato um material fibroso com o sistema epóxi curável como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 4 para formar um sistema epóxi curável reforçado com fibra; e curar o sistema epóxi reforçado com fibra para formar uma estrutura compósita reforçada com fibra.
11. Método de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a etapa de cura do sistema epóxi reforçado com fibra compreende aquecer o sistema epóxi reforçado com fibra a uma temperatura de cura definida em uma faixa de 100°C a 220°C por um tempo suficiente para produzir uma estrutura compósita reforçada com fibra pelo menos parcialmente curada.
12. Método de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a temperatura de cura definida é atingida pelo aquecimento do sistema epóxi curável a uma taxa de rampa de cura em uma faixa de 0,5°C por minuto a 25°C por minuto da temperatura ambiente.
13. Método de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a diferença entre a temperatura de cura definida e a temperatura máxima alcançada no centro do sistema epóxi curável reforçado com fibra é menor do que 20°C.
14. Método de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o sistema epóxi reforçado com fibra tem uma espessura de no máximo 60 mm.
15. Estrutura compósita reforçada com fibra, caracterizada pelo fato de que é obtida pelo método como definido na reivindicação 10.
16. Componente aeroespacial, caracterizado pelo fato de que compreende a estrutura compósita reforçada com fibra como definida na reivindicação 15.
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