BRPI0709828A2 - laminado - Google Patents

Abstract

<B>LAMINADO<D>Laminado contendo uma primeira cada e uma segunda camada fixada à primeira camada, a referida segunda camada compreendendo fios de alta tenacidade, caracterizado pelo fato de que a primeira camada é produzida de um material selecionado a partir do grupo consistindo de um metal, um compensado, um termoplástico sólido ou polímero de termofixaçào, e um material compósito contendo fibras de carbono e/ou fibras de vidro e os fios de alta tenacidadepossuem uma tenacidade de pelo menos 0,5 OPa e estão posicionados em uma estrutura de grade. O laminado é resistente a dano e é adequadamente utilizado para a fabricação de recipientes de transporte aéreo.

Description

LAMINADO

A invenção relaciona-se a um laminado contendo umaprimeira camada e uma segunda camada fixada à primeiracamada, a referida segunda camada compreendendo fios dealta tenacidade.

Tal laminado é mostrado na Patente U. S. de número5.180.190. Nesta patente é descrito um recipiente para otransporte de fluidos. A parede do recipiente possui umaestrutura laminada, contendo uma primeira camada,basicamente formando a parede do recipiente. Sobre aprimeira camada, uma segunda camada é fixada contendo umtecido de fios de alta tenacidade e uma matriz. A matrizadere aos fios e à primeira camada.

0 objetivo da segunda camada é melhorar a resistênciaa dano do recipiente.

O laminado conhecido possui a desvantagem de possuiruma resistência a dano insatisfatória. Especialmente se olaminado é atingido com um objeto duro grande o dano égrave, devido ao rasgo do tecido por grande extensão,também chamado de dano em cascata. Danos deste tipofreqüentemente ocorrem. Por exemplo, pode acontecer que,enquanto se manipula o recipiente, a parede do recipiente éatingida por uma empilhadeira. Ao atingir a parede dorecipiente o garfo rompe os fios únicos seqüencialmente,tanto na direção da urdidura quanto da trama e nas camadassubseqüentes, se presentes.

O objetivo da invenção é fornecer um laminadopossuindo resistência a dano melhorada.

De forma surpreendente, este objetivo é alcançadofornecendo-se um laminado contendo uma primeira camada euma segunda camada fixada à primeira camada e a referidasegunda camada compreendendo fios de alta tenacidadepossuindo uma tenacidade de pelo menos 0,5 GPa, onde osfios de alta tenacidade estão posicionados em uma estruturade grade.

O laminado de acordo com a invenção é bastanteresistente a dano. 0 laminado de acordo com a invenção éespecialmente resistente contra dano em cascata.

Uma vantagem adicional do laminado de acordo com ainvenção é que o mesmo possui peso reduzido, de forma a sermuito adequado para utilização em construções móveis leves,por exemplo, recipientes para transporte aéreo.

Descobriu-se ainda, de forma surpreendente, que olaminado da invenção, quando comparado a laminadosconhecidos possui uma absorção de energia maior quandosofre impacto de objetos que se movem rapidamente, isto é,objetos se movendo com uma velocidade superior a 40 m/s quese devem a, por exemplo, uma explosão ou golpe ocorrendonas proximidades do laminado.

Além disso, o laminado pode ser produzido em váriosdesenhos, para preencher todos os tipos de demanda,determinados por seu uso pretendido.

A função da primeira camada ê, freqüentemente,fornecer rigidez ao laminado. Entretanto, o módulo decurvatura da primeira camada é preferivelmente pelo menos10 GPa, mais preferivelmente pelo menos 30 GPa, ainda maispreferivelmente pelo menos 50 GPa, mais preferivelmentepelo menos 70 GPa. A primeira camada pode ser de um metal,por exemplo, alumínio, uma liga compreendendo magnésio,etc. A primeira camada pode ser de compensado,preferivelmente compensado de bétula. É também possível quea primeira camada seja de uma estrutura em sanduíche o umaestrutura em favo de mel.

Preferivelmente, a primeira camada contém umtermoplástico ou polímero de termofixação. Então obtêm-sebons resultados se a primeira camada for de polipropileno,de policarbonato ou de um pliéster termoplástico. Aindamais preferivelmente a primeira camada é de um materialcompósito contendo fibras de carbono e/ou fibras de vidro eum polímero de termof ixação. Bons exemplos de taispolímeros de termofixação são resina epóxi, resina depoliuretano, resina de poliéster insaturado e resina deéster vinílico. Mais preferivelmente a primeira camada é deum material compósito compreendendo fibras de carbono e umaresina epóxi ou uma resina de éster vinílico. Aquelehabilitado na técnica sabe como escolher a espessura,rigidez e parâmetros adicionais da primeira camada paraadaptá-la ao uso pretendido.

Exemplos de fios de alta tenacidade na segunda camadasão fios contendo filamentos de aramida, filamentos de wS-glass", filamentos de poliéster de alta tenacidade e fioscompreendendo filamentos de polietileno de peso molecularultra-alto.

Fios compreendendo filamentos de aramida são, porexemplo, comercializados sob o nome comercial Kevlar™ eTwaron™. Fios compreendendo filamentos de poliéster de altatenacidade são, por exemplo, comercializados sob o nomecomercial de Vectran™, fios compreendendo filamentos depolietileno de peso molecular ultra-alto são, por exemplo,comercializados sob o nome comercial de Dyneema™ eSpectra™.

Preferivelmente, os fios compreendendo filamentos depolietileno de peso molecular ultra-alto são utilizados nasegunda camada como os fios de alta tenacidade que sãoposicionados na estrutura de grade. Tais fios sãopreferivelmente produzidos de acordo com o processo chamadode fiação de gel como, por exemplo, descrito em EP 0205960A, EP 0213208 Al, US 4413110, GB 2042414 A, EP 0200547 BI,EP 0472114 BI, WO 01/73173 Al e "Advanced Fiber SpinningTechnology", Ed. Nakajima, Woodhead Publ. Ltd (1994), ISBN1-855-73182-7, e em referências aqui citadas. Compreende-seque a fiação de gel inclui pelo menos as etapas de fiarpelo menos um filamento a partir de uma solução depolietileno de peso molecular ultra-alto em um solvente defiação; resfriar o filamento obtido para formar umfilamento de gel; remover pelo menos parcialmente osolvente de fiação do filamento de gel; e aspirar ofilamento em pelo menos uma etapa de aspiração antes,durante ou depois da remoção do solvente de fiação.Solventes de fiação adequados incluem, por exemplo,parafinas, óleo mineral, querosene ou decalina. 0 solventede fiação pode ser removido por evaporação, por extração oupela combinação das vias de evaporação e extração.

O polietileno linear de peso molecular ultra-altoutilizado para a preparação dos filamentos pode possuir umpeso molecular médio de pelo menos 400.000 g/mol.

Os fios de alta tenacidade preferivelmente possuem umatenacidade de pelo menos 1 GPa, ainda mais preferivelmentepelo menos de 1,5 GPa, mais pref erivelmente pelo menos 2GPa.Na estrutura de grade, a distância entre as linhascentrais de fios adjacentes na grade é maior que o diâmetrodo fio. Isto significa que sempre há uma certa distânciaentre as superfícies de dois fios adjacentes na grade.Preferivelmente, a distância entre as linhas centrais dedois fios adjacentes na matriz é igual a ou superior a 1,25vez o diâmetro de um fio, mais preferivelmente superior a1,5 vez o diâmetro de um fio, mais preferivelmente superiora 2 vezes o diâmetro de um fio, o mais pref erivelmente,superior a 2,5 vezes o diâmetro de um fio. Devido a isto,obtém-se um laminado possuindo uma resistência a dano muitoalta.

Os fios podem estar posicionados na estrutura em gradede várias formas. Por exemplo, é possível produzir umtecido aberto, possuindo a estrutura em grade, e aplicar otecido no laminado. Outra possibilidade é produzir umarede.

É ainda possível produzir a estrutura em grade de fiosde alta tenacidade produzindo-se um tecido compreendendoseqüências de fios de alta tenacidade, as aberturas nagrade entre os fios de alta tenacidade sendo preenchidascom outros fios.

É preferível repousar os fios em uma estrutura degrade imediatamente no lugar, sobre a primeira camada.

Preferivelmente, a estrutura em grade é formada porduas ou mais seqüências de fios paralelos, o ângulo entreos fios das seqüências sendo maior que 0o, preferivelmentemaior que 45°, mais pref erivelmente maior que 60°, maispreferivelmente maior que 89°, o mais preferivelmente, oângulo é de 90°. Mais preferivelmenté, a estrutura em gradeé formada por duas ou mais seqüências de fios paralelos.Aquele com habilidade na técnica sabe como produzir eposicionar tais seqüências.

O fio pode possuir uma titulação entre 800 e 35.000 dtex.

Se os fios compreendendo filamentos de polietileno depeso molecular ultra-alto são utilizados, os fiospreferivelmente possuem titulação entre 1.000 e 18.000dtex, mais preferivelmente entre 5.000 e 15.000 dtex, omais preferivelmente, entre 8.000 e 12.000 dtex. Destaforma, obtém-se um bom equilíbrio entre resistência a danoe peso do laminado.

Bons resultados são obtidos se a segunda camada contémentre 200 e 2.000 gramas dos fios de alta tenacidade pormetro quadrado, os fios estando posicionados em umaestrutura de grade. Preferivelmente, a camada secundáriacontém entre 200 e 1.000 gramas dos fios de alta tenacidadepor metro quadrado, mais preferivelmente entre 300 e 600gramas por metro quadrado.

Bons resultados são obtidos se a espessura da segundacamada é menor que 3 vezes o diâmetro de um fio.Preferivelmente, a espessura é inferior a 2 vezes odiâmetro de um fio. Desta forma, obtém-se um laminadopossuindo uma resistência a dano muito alta e ainda compeso reduzido.

A segunda camada compreendendo os fios de altatenacidade pode ser fixada à primeira camada de diversasmaneiras. Por exemplo, ela pode ser pregada ou colada àprimeira camada. Preferivelmente, a segunda camada contémuma matriz que adere aos fios e à primeira camada. Exemplosde materiais adequados para constituir a matriz incluemresina epóxi, resina de éster vinilílico ou copolímero deacetato de etileno vinila (EVA).

Um laminado muito bom de acordo com a invenção,possuindo um peso muito leve, sendo muito rígido epossuindo uma resistência a dano muito alta contém umaprimeira camada compreendendo fibras, de carbono e polímerode termofixação e contém uma segunda camada contendo fiosde filamentos de polietileno de peso molecular ultra-alto eum polímero de termofixação.

As fibras de carbono na primeira camadapreferivelmente formam um tecido. Entretanto, as fibras decarbono podem estar também dispostas em outrasconfigurações como, por exemplo, uma estrutura em grade, umfeltro ou como fibras de carbono cortadas.

Preferivelmente, a primeira camada e a segunda camadacompreendem o mesmo polímero.

A invenção também está relacionada a uma construçãocontendo o laminado de acordo com a invenção.

Bons exemplos de aplicações para o laminado incluem umdomo de radar, tanques para transporte de fluido,especialmente para o transporte de fluidos perigosos, comopetróleo, por exemplo.

Um exemplo preferido é um dispositivo para transporteaéreo compreendendo o laminado de acordo com a invenção.Bons exemplos são um recipiente de transporte aéreo e orevestimento da cavidade de carga de uma aeronave. Taisrevestimentos protegem a parede interna da aeronave de serdanificada, por exemplo, quando a aeronave está carregada

com carga, devido a impactos e colisões de peças de cargacontra a parede interna.

Descobriu-se, de forma surpreendente, que umrecipiente de transporte aéreo compreendendo o laminado dainvenção apresenta uma resistência a golpe aumentada, istoé, uma resistência a dano aumentada contra uma explosão ougolpe ocorrendo no interior ou exterior do referidorecipiente.

Uma vantagem adicional do recipiente de transporteaéreo da invenção é que para a mesma resistência a golpeque os recipientes conhecidos, ele é muito mais leve. Aindauma vantagem adicional do recipiente de transporte aéreo dainvenção é que ele pode ser facilmente moldado para seadequar ao interior de uma aeronave de transporte.

Adicionalmente, o referido recipiente é mais barato de seproduzir e manter que os recipientes conhecidos, quefornecem a mesma resistência a golpe.

Preferivelmente, a grade está localizada no lado deimpacto da estrutura. Para um recipiente, isto significa olado externo. Para um revestimento de cavidade de carga,isto significa o lado direcionado para o interior daaeronave.

A invenção é ainda explicada na figura. A Figura 1mostra uma fotografia de fios compreendendo filamentos depolietileno de peso molecular ultra-alto (Dyneema™ Sk75 de14.080 dtex), o fio estando posicionado em uma estrutura degrade. A estrutura de grade é obtida produzindo-se umtecido de tecedura lisa aberta com 2,5 fios por cm tanto nadireção da urdidura quanto da trama. 0 ângulo entre asseqüências paralelas de fios é de 90°.

Exemplo 1Uma camada dupla de fibras Dyneema® SK75 de 5.280 dtexé disposta em uma grade de plano simétrico retangular de2,5 feixes por centímetro em ambas as direções. A distânciana grade entre as linhas centrais de dois fios adjacentes éde cerca de 2 vezes o diâmetro de um fio, de forma que asaberturas na grade possuem um tamanho aproximadamente igualao diâmetro de um fio. A grade é combinada a um tecido defibra de carbono em uma disposição de placa de painel planautilizando-se uma resina à base de éster vinílico padrão. Aresina a base de éster vinílico é aplicada como a matrizpara o tecido de fibra de carbono e a grade. Após a cura daresina a base de éster vinílico um laminado resistente aimpacto fico de cerca de 3 mm de espessura possuindo umpadrão de superfície similar a uma grade é obtido. Estelaminado possui um peso de cerca de 1 kg por metroquadrado. Um painel é cortado do laminado e é montado emuma armação de recipiente de carga aérea. O recipiente épreenchido co 600 kg de massa geralmente originários deblocos de metal simulando uma carga de transporte aéreo.

Uma empilhadeira elétrica de tamanho médio de dois garfosse desloca de diversas distâncias, variando de 0,0 metroaté 2,5 metros com aceleração total contra o painel. Opainel resiste pelo menos a um golpe a 1,5 metro dedistância.

Uma vez que o buraco é perfurado no painel, aempilhadeira não será capaz de abrir um buraco maiorlevantando todo o recipiente carregado com 600 kg.

Experimento Comparativo A:

O Exemplo 1 foi repetido, entretanto, ao invés de umagrade de duas camadas de fibra Dyneema® SK75, um tecidodensamente tecido de fibra SK75 foi utilizado, possuindouma densidade aérea igual à quantidade de Dyneema® SK75 porunidade de superfície utilizada no Exemplo 1.

Já ao ser atingido pela empilhadeira de dois garfos deuma distância de 1 metro resultou-se em dano considerável.Além disso, ao se levantar o recipiente uma quantidadeconsiderável de dano em cascata foi obtida.

Experimento Comparativo B

O Exemplo 1 foi repetido, entretanto ao invés dolaminado, um painel de alumínio de 0,7 mm de espessura epeso de 1,9 kg por metro quadrado foi utilizado. O painelnão resistiu sequer a um impacto da empilhadeira de doisgarfos de uma distância de 0,5 m.

Exemplo 2

A velocidade à qual há uma probabilidade de 50% deprobabilidade de que uma bala perfure o laminado (V50) e aabsorção de energia específica (SEA) do laminado do Exemplo1 foram determinadas a 210C com procedimentos de teste deacordo com STANAG 2920, utilizando-se Projéteis deSimulação de Fragmento (FSP) de 1,1 grama. Apóscondicionamento a cerca de 21°C e cerca de 65% de umidaderelativa durante cerca de 24 horas, o laminado foi fixadoutilizando-se correias flexíveis em um suporte preenchidocom material de apoio Roma Plastilina, que foi pré-condicionado a 35°C. A densidade aérea (AD) do laminado erade 1,3 g/m2.

Descobriu-se que o V50 é de 17 0 m/s a um SEA de 12,33J.m2/kg.

Experimento Comparativo C

Uma placa de alumínio de qualidade F220 (espessura de0,8 mm) com um AD de 2,1 g/m2 foi submetida ao mesmoprocedimento de teste do Exemplo 2.

Descobriu-se que o V50 da placa de alumínio é de 110m/s a um SEA de 3,17 J.m2/kg.

Os valores de SEA para o laminado do Exemplo 1 e daplaca de alumínio mostram que a placa de alumínio possuiuma resistência a golpe quase 4 vezes menos que a dolaminado do Exemplo 1.

Claims (10)

1. Laminado contendo uma primeira cada e uma segundacamada fixada à primeira camada, a referida segunda camadacompreendendo fios de alta tenacidade, caracterizado pelofato de que a primeira camada é produzida de um materialselecionado a partir do grupo consistindo de um metal, umcompensado, um termoplástico ou polímero de termofixação, eum material compósito contendo fibras de carbono e/oufibras de vidro, e neste os fios de alta tenacidade possuemuma tenacidade de pelo menos 0,5 GPa e estão posicionadosem uma estrutura de grade onde, na estrutura de grade, adistância entre as linhas centrais de fios adjacentes nagrade é superior ao diâmetro de um fio.

2. Laminado, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que a primeira camada possui ummódulo de curvatura de pelo menos 10 GPa.

3. Laminado, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o fiode alta tenacidade possui filamentos de aramida, filamentosde S-glass, filamentos de poliéster de alta tenacidade.

4. Laminado, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que ofio de alta tenacidade contém filamentos de polietileno depeso molecular ultra-alto.

5. Laminado, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 2, 3 ou 4, caracterizado pelo fato de quea estrutura em grade é formada por duas ou mais seqüênciasde fios paralelos, o ângulo entre os fios das seqüênciassendo superior a 0o.

6. Laminado, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 2, 3, 4 ou 5, caracterizado pelo fato deque o fio de alta tenacidade possui uma espessura entre 8 00e 35.000 dtex.

7. Laminado, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caracterizado pelo fatode que a segunda camada contém entre 200 e 2.000 gramas defios de alta tenacidade por metro quadrado.

8. Construção para transporte aéreo, caracterizadapelo fato de que a construção contém um laminado dequalquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7.

9. Recipiente de transporte aéreo, caracterizado pelofato de compreender o laminado de qualquer uma dasreivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7.

10. Revestimento para cavidade de carga, caracterizadopelo fato de compreender o laminado de qualquer uma dasreivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7.