BRPI0819004B1 - estrutura em forma de favo de mel e painel estrutural - Google Patents

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BRPI0819004B1
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Abstract

estrutura em forma de favo de mel e painel estrutural a presente invenção se refere a uma estrutura em forma de favo de mel com alta resistência mecânica que é feita de papel de polímero que contém 5 a 35 partes em volume de material sólido e 65 a 95 partes em volume de vazios, com um pico de carga normalizado em curvatura igual ou maior que 0,33 mgf/(g/m2)3 e uma resistência ao ar gurley igual ou maior que 50 segundos / 100 ml.

Description

“ESTRUTURA EM FORMA DE FAVO DE MEL E PAINEL ESTRUTURAL”
Campo da Invenção [001] A presente invenção refere-se a uma estrutura em forma de favo de mel de alta resistência mecânica feita de papel polimérico leve.
Antecedentes da Invenção [002] Estruturas em forma de favo de mel com base em papéis de aramida são usadas para várias aplicações em que resistência em relação ao peso, rigidez em relação ao peso e algumas outras propriedades normalizadas em relação ao peso são críticas para o desempenho. Inúmeros exemplos podem ser encontrados em aplicações aeroespaciais. Tradicionalmente, tal estrutura em forma de favo de mel foi fabricada a partir de papel feito com fibra de meta-aramida e fibrila aglutinante de meta-aramida ou com fibra de para-aramida de alto módulo e fibrila aglutinante de meta-aramida. Usualmente, papel de aramida calandrado forte e áspero é usado para fazer correspondentes estruturas em forma de favo de mel. Tais papéis e estruturas em forma de favo de mel eram otimizados para prover bons ajustes de cisalhamento, compressão e outras propriedades da estrutura em forma de favo de mel. Entretanto, há algumas aplicações em que o aumento da resistência à compressão é de maior significância que outras propriedades mecânicas, tal como cisalhamento. Isto é particularmente verdade para painéis sanduíche usados no piso de aeronaves, trens, etc. Potencialmente, uma estrutura em forma de favo de mel otimizada para resistência à compressão pode prover peso adicional e redução de custos. Portanto, é necessário uma estrutura em forma de favo de mel feita de uma maneira que os processos de fabricação do papel e da estrutura em forma de favo de mel sejam otimizados juntos, para prover uma máxima resistência à compressão da estrutura em forma de favo de mel para dados tamanho e densidade da célula da estrutura em forma de favo de mel.
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Descrição Resumida da Invenção [003] A presente invenção é direcionada a uma estrutura em forma de favo de mel que compreende uma pluralidade de paredes interconectadas tendo superfícies que definem uma pluralidade de células em forma de favo de mel, em que as ditas paredes de célula são formadas por um papel que compreende:
a) 5 a 35 partes em volume de material polimérico sólido e
b) 65 a 95 partes em volume de vazios e em que o papel tem um pico de carga normalizado em curvatura igual ou maior que 0,33 mgf/(g/m2)3 e uma resistência ao ar Gurley igual ou maior que 50 segundos / 100 mL.
(Mgf significa miligrama força e g/m2 significa gramas por metro quadrado).
[004] A presente invenção também se refere a uma estrutura em forma de favo de mel em que o papel tem um revestimento de resina e artigos, tais como painéis, formados a partir da estrutura em forma de favo de mel.
Breve Descrição das Figuras [005] As figuras 1A e 1B são representações de vistas de uma estrutura em forma de favo de mel em forma hexagonal.
[006] A figura 2 é uma representação de outra vista de uma estrutura em forma de favo de mel com célula em forma hexagonal.
[007] A figura 3 é uma ilustração de uma estrutura em forma de favo de mel provida com folha(s) de face.
Descrição Detalhada da Invenção [008] A presente invenção refere-se a uma estrutura em forma de favo de mel feito de um papel polimérico, em que a estrutura em forma de favo de mel tem resistência à compressão superior. Uma estrutura em forma de favo de mel, sob compressão, falha por empenamento da parede da célula. A resistência
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3/19 da parede da célula ao empenamento é um indicador muito bom de resistência à compressão de uma estrutura em forma de favo de mel. Portanto, teste das folhas de papel proporciona uma indicação relativa de como uma estrutura em forma de favo de mel que contém o mesmo papel desempenha sob carga compressiva.
[009] Com uma correlação como esta presente entre a resistência à compressão da estrutura em forma de favo de mel em relação a um papel a ser usado na parede da célula da estrutura em forma de favo de mel, um procedimento de teste de papel é empregado na presente invenção. Tal procedimento de papel é baseado no pico de carga normalizado em curvatura, que será descrita com detalhes a seguir. Um valor numérico mais alto para o pico de carga normalizado em curvatura traduz uma maior resistência à compressão de uma estrutura em forma de favo de mel com paredes da célula formadas a partir do papel.
[010] A figura 1A é uma ilustração de uma estrutura em forma de favo de mel da presente invenção. A figura 1B é uma vista ortogonal da estrutura em forma de favo de mel mostrado na figura 1A e a figura 2 é uma vista tridimensional da estrutura em forma de favo de mel. A estrutura em forma de favo de mel (1) é mostrada com células hexagonais (2). A dimensão Z ou a espessura da estrutura em forma de favo de mel é mostrada na figura 2. Esta dimensão também é conhecida como a direção T, e é a direção ao longo da qual uma força compressiva é aplicada. A figura 3 é uma ilustração de um painel sanduíche de estruturas em forma de favo de mel com folhas de face (7) e (8) ligadas na estrutura em forma de favo de mel. Normalmente, as folhas de face são metálicas ou de plástico reforçado com fibra. Uma camada adesiva (6) também pode ser exigida para prover ligação adequada.
[011] Células hexagonais são mostradas nas figuras. Entretanto, outros arranjos geométricos são possíveis com células quadradas,
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4/19 sobre-expandidas e núcleo flexível ficando entre os arranjos possíveis mais comuns. Tais tipos de célula são bem conhecidos na tecnologia, e referência pode ser feita a Honeycomb Technology de T. Bitzer (Chapman & Hall, editores, 1997) para informação adicional sobre possíveis tipos geométricos de célula.
[012] A estrutura em forma de favo de mel tem paredes da célula providas com um papel polimérico com os planos das paredes da célula, preferivelmente, paralelos a uma dimensão Z da estrutura em forma de favo de mel. O papel polimérico para as paredes da célula da estrutura em forma de favo de mel compreende 5 a 35 partes em volume de material sólido e 65 a 95 partes em volume de vazios, com o papel tendo uma pico de carga normalizado em curvatura igual ou maior que 0,33 mgf/(g/m2)3 e resistência ao ar Gurley não menor que 50 segundos / 100 mL.
[013] O volume dos vazios no papel polimérico pode ser determinado com base em uma densidade de papel conhecida sem vazios, se comparado com o papel com vazios ou pela análise de imagem do papel com vazios.
[014] Um papel preferido contém tanto fibras quanto fibrilas. Uma faixa preferida é de 20 a 70 por cento em peso de fibras e, correspondentemente, 30 a 80 por cento em peso de fibrilas. O material polimérico preferido tanto para fibras quanto para fibrilas é m-aramida.
[015] Entretanto, entende-se que a composição tanto das fibras quanto das fibrilas pode variar. Ilustrativamente, para aplicações aeroespaciais, tipos preferíveis de fibras incluem aramida, poliéster cristal líquido, polibenzazola, polipiridazola, carbono, vidro e outras fibras inorgânicas ou misturas destes, e tipos preferíveis de fibrilas incluem poli(m-fenileno isoftalamida), poli(p-fenileno tereftalamida), polissulfonamida (PSA), poli(sulfeto de fenileno) (PPS), e poli-imida.
[016] O papel polimérico pode ser revestido com uma resina antes
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5/19 ou depois da formação da estrutura em forma de favo de mel. Pode ser empregada resina que é reticulada depois da aplicação no papel da estrutura em forma de favo de mel, para otimizar as propriedades finais, tais como rigidez e resistência. Exemplos de resinas incluem epóxi, fenólicas, acrílicas, poli-imida e misturas destas.
[017] Como exposto, o papel polimérico tem uma resistência ao ar Gurley de 50 segundos / 100 mL ou maior, que é considerada uma alta resistência ao ar em função de uma baixa permeabilidade do papel. Esta baixa permeabilidade do papel facilita somente uma penetração incompleta da resina nos vazios do papel durante um subsequente processo de revestimento da resina, tal como por imersão. O revestimento pode ser aplicado no papel antes ou depois da formação da estrutura em forma de favo de mel. Entretanto, o revestimento depois da formação da estrutura em forma de favo de mel é preferido em muitos casos. A penetração incompleta da resina pode auxiliar na obtenção de uma estrutura em forma de favo de mel com maior resistência à compressão com um baixo peso de resina.
[018] Uma estrutura em forma de favo de mel otimizada para a máxima razão de resistência à compressão pelo peso é importante para redução de peso no piso e em outras aplicações. Frequentemente, em tais casos, a resistência à compressão da estrutura em forma de favo de mel tem uma prioridade mais alta, se comparado com outras propriedades mecânicas da estrutura em forma de favo de mel.
[019] A espessura e o peso do papel dependem do uso final ou das propriedades desejadas da estrutura em forma de favo de mel com propósitos de ilustração, uma espessura adequada é de 75 a 250 micrômetros (3 a 10 mils) e um peso adequado é de 15 a 200 gramas por metro quadrado (0,5 a 6 onças por jarda quadrada).
[020] Da forma aqui empregado, o termo aramida significa uma
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6/19 poliamida em que pelo menos 85 % das ligações amida (-CONH-) são ligadas diretamente em dois anéis aromáticos. Aditivos podem ser usados com a aramida. De fato, foi verificado que até 10 por cento em peso de outro material polimérico pode ser combinado com a aramida ou que copolímeros podem ser usados com até 10 por cento de outra diamina em substituição à diamina da aramida ou até 10 por cento de outro cloreto de diácido em substituição ao o cloreto de diácido da aramida. Fibras de poliamida aromática e várias formas destas fibras estão disponíveis por E. I. du Pont de Nemours and Company, Wilmington, Delaware sob as marcas registradas NOMEX® e Kevlar® e por Teijin, Ltd., sob as marcas registradas TeijinConex® e Twaron®. Fibras de polibenzazola comercialmente disponíveis incluem fibra Zylon® PBO-AS (Poli(p-fenileno-2,6-benzobisoxazola), fibra Zylon® PBO-HM (Poli(p-fenileno-2,6-benzobisoxazola)), ambas disponíveis por Toyobo Co. Inc., Osaka, Japão. Fibras de carbono comercialmente disponíveis incluem fibras Tenax® disponíveis por Toho Tenax America, Inc, Rockwood, TN. Fibras de poliéster cristal líquido comercialmente disponíveis incluem fibra Vectran® HS disponível por Kuraray America Inc., Nova Iorque, NY.
[021] O papel também pode incluir partículas inorgânicas e partículas representativas incluem mica, vermiculita e congêneres. A adição destes aditivos de melhoria de desempenho pode transmitir propriedades, tal como maior resistência a incêndio, condutividade térmica, estabilidade dimensional e congêneres ao papel e à estrutura em forma de favo de mel finais.
[022] O papel pode ser formado em equipamento de qualquer escala, de telas de laboratório até maquinário de formação de papel comercialmente dimensionado, incluindo máquinas comumente usadas, tais como máquinas de papel Fourdrinier ou de fio inclinado que empregam um processo convencional bem conhecido na tecnologia. Referência é feita às Patentes e Pedidos de Patente US 3.756.908 de Gross; 4.698.267 e 4.729.921 de Tokarsky,
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5.026.456 de Hesler et al., 5.223.094 de Kirayoglu et aí., 5.314.742 de Kirayoglu et al. para processos ilustrativos para a formação de papéis de vários tipos de fibras e fibrilas.
[023] Uma vez que o papel é formado, preferivelmente, ele não é calandrado. Ligeira densificação através da calandragem do papel pode ser conduzida, contanto que o conteúdo vazio não seja reduzido abaixo de 65 %. Também, tratamento térmico do papel pode ser realizado, tal como para aumentar o pico de carga em curvatura ou uma ou mais outras propriedades mecânicas. Tal tratamento pode ser realizado no papel antes ou depois da formação da estrutura em forma de favo de mel.
[024] A fibra do papel pode ser na forma da fibra de corte (floco), polpa ou mistura destes. O termo polpa, da forma aqui usada, significa partículas de material fibroso com um caule e fibrilas se estendendo, no geral, a partir delas, em que o caule é, no geral, colunar e tem cerca de 10 a 50 micrômetros de diâmetro, e as fibrilas são finos elementos tipo cabelo, no geral, ligados no caule, medindo somente uma fração de um micrômetro ou uns poucos micrômetros de diâmetro e cerca de 10 a 100 micrômetros de comprimento. Um processo ilustrativo para fazer polpa de aramida é divulgado, no geral, na Patente US 5.084.136.
[025] O termo “fibrilas”, da forma aqui usada, significa um produto polímero finamente dividido de pequenas partículas membranosas essencialmente bidimensionais, com um comprimento e largura de 100 a 1.000 micrômetros e uma espessura de 0,1 a 1 micrômetro. Tipicamente, fibrilas os são feitos pela corrente de uma solução de polímero em um banho de coagulação de líquido que é imiscível com o solvente da solução. A corrente de solução de polímero é sujeita a estrênuas forças de cisalhamento e turbulência à medida que o polímero é coagulado.
[026] Processos para converter papéis em estruturas em forma de
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8/19 favo de mel são bem conhecidos pelos técnicos no assunto e incluem expansão e corrugamento. Um processo de expansão é particularmente bem adequado para fazer núcleo em grau de piso. Tais processos são adicionalmente detalhados na página 721 do Engineered Materials Handbook, Volume 1 Composites, ASM International, 1988.
[027] A resistência mecânica final de núcleo do painel de piso é o resultado de uma combinação de diversos fatores. Os principais contribuidores conhecidos são composição e espessura do papel, tamanho da célula e densidade final do núcleo, tal como depois do revestimento com resina. O tamanho da célula é o diâmetro de um círculo inscrito na célula de um núcleo da estrutura em forma de favo de mel. Para o núcleo do piso, típicos tamanhos de célula variam de 3,2 mm - 9,6 mm (1/8 - 3/8), mas outros tamanhos são possíveis.
[028] Também se sabe que o mecanismo principal da falha do núcleo da estrutura em forma de favo de mel sob uma carga de compressão é o empenamento de suas paredes da célula. Tal empenamento é muito similar a ir acima do pico de carga em curvatura. Portanto, para os dados apresentados, pico de carga em curvatura foi usada como uma característica do papel e, portanto, da resistência da parede da célula ao empenamento. Quanto mais alto o pico de carga do papel, maior será o valor de compressão do núcleo.
[029] O momento de curvatura M para uma parede pode ser calculado como segue (Mechanical Engineers' Handbook, Ed. By Myer Kutz, uma publicação Wiley-Interscience, 1986):
M = r (E * b * h Λ 3) / 12 [030] Em que r = raio da curvatura, E = módulo de elasticidade, b = largura da parede da célula e h = espessura do papel. Nos exemplos em que o papel e não a estrutura em forma de favo de mel foi testada, b = largura do papel.
[031] É prática comum usar papel da mesma densidade, mas de
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9/19 diferentes espessuras, para fazer a estrutura em forma de favo de mel, por exemplo, papéis Nomex® tipo T412 padrão de diferentes espessuras são comercialmente disponíveis. Para a mesma densidade do papel usado para fazer a estrutura em forma de favo de mel, a espessura de papel antes do revestimento de resina é proporcional ao peso base do material. Há uma ampla correlação que, para o mesmo tipo de papel com densidade constante, momento de curvatura e pico de carga em curvatura são mudados da mesma maneira que a correspondente mudança do peso base do papel. Portanto, para distinguir uma influência da densidade do papel e tratamento especial adicional, o pico de carga em curvatura foi normalizado para o peso base na potência de 3 do material da parede da célula. Isto elimina a contribuição do peso base do papel na influência do pico de carga em curvatura e, portanto, da resistência compressiva.
[032] Desta maneira, da forma aqui empregada, pico de carga normalizado em curvatura significa a máxima carga em curvatura em miligramas (mg) força dividida pelo peso base do papel, ou papel revestido, (em g/m2) à potência de 3.
[033] Nos seguintes exemplos, todas as partes e percentuais são em peso, a menos que de outra forma indicada.
Métodos de Teste [034] A densidade do papel foi calculada usando a espessura do papel medida por ASTM D374-99 e o peso base medido por ASTM D646-96. O denier da fibra foi medido usando ASTM D1907-07.
[035] O pico de carga em curvatura para o papel e para o papel revestido / impregnado com resina foi determinado com base em um método de três pontos descrito em ASTM D5934-02 pelo uso de uma amostra de 2,54 cm (1 polegada) de comprimento, 10,16 cm (4 polegadas) de largura, com uma distância de suporte de 1,27 cm (0,5 polegada), raio do bico de carregamento de 3 mm (0,125 polegada) e velocidade de carregamento de 2,54 mm/min (0,1
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10/19 pol/min). O pico de carga normalizado em curvatura foi determinado como máxima carga em curvatura em miligramas (mg) força dividida pelo peso base do papel ou do papel revestido (em g/m2) à potência de 3.
[036] Porosidade Gurley para papéis foi determinada pela medição da resistência ao ar em segundos por 100 milímetros de deslocamento do cilindro para aproximadamente 6,4 centímetros quadrados área circular de um papel usando um diferencial de pressão de 1,22 kPa de acordo com TAPPI T460. Compressão estabilizada das fatias da estrutura em forma de favo de mel foi testada de acordo com ASTM C365, enquanto que carga e módulo de tosa foram avaliados por ASTM C273.
Exemplos
Exemplos 1 e 2 [037] Papel de m-aramida foi formado como descrito na Patente US 3.756.908 de Gross pelo uso de cerca de 50 % em peso de fibrilas de poli(metafenileno isoftalamida) e cerca de 50 % em peso de floco de m-aramida. O floco de m-aramida foi floco de densidade linear de cerca de 2,0 denier (0,22 tex) e de cerca de 6,4 mm de comprimento, corte da fibra vendido por E. I. du Pont de Nemours and Company de Wilmington, DE (DuPont) sob a marca registrada NOMEX®.
[038] Depois da formação, o papel passou por tratamento térmico adicional pela passagem ao redor de dois cilindros de metal quentes com temperatura de superfície de cerca de 325 °C. Propriedades do papel são mostradas na Tabela 1.
[039] Exemplos 1 e 2 empregaram dois diferentes pesos bases que foram 42 gsm e 62 gsm, respectivamente.
Exemplos Comparativos 1 e 2 [040] Papéis foram formados como nos Exemplos 1 e 2, mas nenhum tratamento térmico adicional foi conduzido. Propriedades do papel são
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11/19 mostradas na Tabela 1.
[041] Os pesos bases dos Exemplos Comparativos 1 e 2 foram 40 gsm e 60 gsm, respectivamente.
Exemplos Comparativos 3 e 4 [042] Papéis foram formados como no Exemplo 1. Depois da formação, os papéis foram calandrados entre dois cilindros de metal aquecidos até 350 °C em pressão linear de cerca de 3.000 N/cm. Propriedades do papel são mostradas na Tabela 1.
[043] Os pesos bases dos Exemplos Comparativos 3 e 4 foram 42 gsm e 61 gsm, respectivamente.
Exemplos Comparativos 5 e 6 [044] Os papéis foram formados e termicamente tratados como no Exemplo 1, mas com a temperatura de superfície dos cilindros de metal sendo de 260 °C. Propriedades do papel são mostradas na Tabela 1.
[045] Os pesos bases dos Exemplos Comparativos 5 e 6 foram 40 gsm e 61 gsm, respectivamente.
Exemplos 3 e 4 [046] Amostras de 25,4 cm x 20,32 cm (10 x 8) de papel dos Exemplos 1 e 2 foram imersas em uma solução do tipo de resina fenólica Plyophen® 23900 suprido por Durez Corporation, Novi, MI. Depois da imersão, um excesso da resina foi removido por mata-borrão, e o papel impregnado foi termicamente tratado para curar a resina usando um ciclo de cura: 15 minutos a 82 °C, 15 minutos a 121 °C e 60 minutos a 182 °C. Propriedades das estruturas de folha finais são mostradas na Tabela 2.
Exemplos Comparativos 7 e 8 [047] Amostras de 25,4 cm x 20,32 cm (10 x 8) de papel dos Exemplos Comparativos 3 e 4 foram imersas em uma solução da resina fenólica Plyophen® 23900. Depois da imersão, um excesso da resina foi removido por
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12/19 mata-borrão, e o papel impregnado foi termicamente tratado para curar a resina usando o mesmo ciclo de cura dos Exemplos 3 e 4. Propriedades das estruturas de folha finais são mostradas na Tabela 2.
Exemplo 5 [048] Um bloco de estrutura em forma de favo de mel pode ser feito de acordo com as seguintes etapas.
[049] Um bloco de estrutura em forma de favo de mel é formado a partir do papel do Exemplo 1. Um processo como este é bem conhecido pelos técnicos no assunto, mas é resumida da seguinte maneira.
[050] Linhas de nó da resina adesiva são aplicadas na superfície do papel com a largura das linhas de adesivo sendo de 1,78 mm. O passo, ou a distância linear entre o início de uma linha e a próxima linha, é de 5,3 mm. A resina adesiva da linha de nó é uma solução de sólidos em 50% que compreende 70 partes em peso de uma resina epóxi Epon® 826, disponível por Hexion Specialty Chemicals, Houston, TX; 30 partes em peso de uma resina epóxi modificada por elastômero identificada como Heloxy WC 8006, vendida por Wilmington Chemical Corp, Wilmington, DE; 54 partes em peso de um agente de cura bisfenol A - resina formaldeído identificado como UCAR BRWE 5400, vendido por Union Carbide Corp.; 0,6 parte em peso de 2-metilimidazola como um catalisador de cura em um solvente glicol éter identificado como Dowanol® PM, vendido por The Dow Chemical Company, Midland, MI; 7 partes em peso de uma resina poliéter identificada como Eponol 55-B-40, vendido por Miller-Stephenson Chemical Co., Danbury, CT; e 1,5 partes em peso de sílica fumada identificada como Cab-O-Sil®, vendida por Cabot Corp., Billerica, MA. O adesivo é parcialmente seco no papel em um forno a 130 °C por 6,5 minutos.
[051] A folha com as linhas de nó adesivas é cortada paralela às linhas de nó para formar 50 folhas menores. As folhas cortadas são empilhadas uma no topo da outra, de maneira tal que cada uma das folhas seja deslocada da
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13/19 outra em metade de um passo ou em metade do intervalo das linhas de nó adesivas aplicadas. O deslocamento ocorre alternativamente para um lado ou para o outro, de forma que a pilha final seja uniformemente vertical. Então, a pilha de folhas é pressionada a quente a 345 kPa em uma primeira temperatura de 140 °C por 30 minutos e, então, em uma temperatura de 177 °C por 40 minutos, fazendo com que a linha de nó adesiva cure e, assim, ligue adjacente às folhas.
[052] Usando uma estrutura de expansão, então, as folhas de aramida ligadas são expandidas na direção contra a direção do empilhamento, para formar células com uma seção transversal equilateral. Cada uma das folhas é estendida uma entre a outra, de maneira tal que as folhas sejam dobradas ao longo das bordas das linhas de nó ligadas e as partes não ligadas sejam estendidas na direção da força de tensão para separar as folhas uma da outra. Depois da expansão, o bloco de estrutura em forma de favo de mel, ficando na estrutura especial, é termicamente tratado no forno, com temperatura elevada até 270 °C e mantida por 30 minutos para fixar ou endurecer o bloco em sua forma expandida.
[053] Então, o bloco de estrutura em forma de favo de mel é colocado em um banho de impregnação ou tanque de imersão que contém uma solução de resina fenólica PLYOPHEN® 23900 de Durez Corporation. Depois da impregnação com resina, a estrutura em forma de favo de mel é tirada do banho e é seca em um forno de secagem usando ar quente. A estrutura em forma de favo de mel é aquecida de temperatura ambiente até 82 °C desta maneira e, então, esta temperatura é mantida por 15 minutos. Então, a temperatura aumenta até 121 °C e esta temperatura é mantida por mais 15 minutos, seguida pelo aumento da temperatura até 182 °C e manutenção nesta temperatura por 60 minutos. As etapas de imersão e de cura são repetidas 8 vezes. A estrutura em forma de favo de mel imersa e curada final com maior resistência à
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14/19 compressão tem uma densidade a granel de cerca de 112 kg/m3.
Exemplo 6 [054] Um bloco de estrutura em forma de favo de mel pode ser feito da seguinte maneira. Papel preparado de acordo com o Exemplo Comparativo 2 é usado como uma matéria-prima para fazer o bloco. O bloco de estrutura em forma de favo de mel é feito como Exemplo 5, exceto em que o bloco expandido é termicamente tratado no forno a uma temperatura de cerca de 320 °C por 20 minutos. As propriedades de densidade a granel final da estrutura em forma de favo de mel imersa e curada são similares às da estrutura em forma de favo de mel do Exemplo 5.
[055] Como se pode ver a partir dos dados da Tabela 1, apenas o uso do papel formado em vez de papel calandrado proporciona somente aumento marginal no pico de carga normalizado em curvatura (Exemplos Comparativos 3-4 e 1-2, respectivamente). Também, tratamento térmico do papel formado em temperatura abaixo de uma temperatura ideal não muda o pico de carga normalizado em curvatura (Exemplos Comparativos 5 e 6). Papel calandrado foi exposto à temperatura muito alta durante calandragem, entretanto, seu pico de carga normalizado em curvatura ainda é ligeiramente inferior aquele para o papel formado (Exemplos Comparativos 3 e 4). Então, somente o papel com baixa densidade / alto conteúdo de vazio e exposto à alta temperatura necessária (exemplos 1 e 2) provê pico de carga normalizado em curvatura significativamente maior para a parede da célula da estrutura em forma de favo de mel. Pode-se ver a partir da mesma Tabela que papel calandrado NOMEX® tipo T412 comercial de 2 mil de espessura provê quase as mesmas características do papel calandrado do nosso Exemplo Comparativo 3. Os valores muito próximos do pico de carga normalizado em curvatura para os papéis com diferente peso base, tais como papéis dos Exemplos 1 e 2 e dos Exemplos Comparativos 1 a 6, confirmam que o método de normalização do pico
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15/19 de carga em curvatura foi corretamente escolhido.
[056] Os Exemplos 3 e 4 mostram como o revestimento com uma resina aumenta adicionalmente o pico de carga em curvatura para a parede da célula da estrutura em forma de favo de mel da presente invenção. Entretanto, carga de despelamento normalizada está diminuindo. Isto pode ser explicado por uma densidade mais alta da resina fenólica curada (cerca de 1,1 g/cm3) em comparação com a densidade do papel, então, o aumento relativo da espessura é menor que o aumento relativo no peso.
[057] Os Exemplos Comparativos 7 e 8 demonstram que, depois de algum revestimento de resina do papel calandrado de alta densidade / baixo conteúdo de vazio, seu pico de carga em curvatura e pico de carga normalizado em curvatura são muito menores, em comparação com o papel de parede da célula da presente invenção.
[058] Em todos os casos, o pico de carga em curvatura foi medido na direção transversal do papel, em virtude de ela corresponder à direção Z da parede da célula da estrutura em forma de favo de mel produzida pelos métodos convencionais supra descritos.
Tabela 1- Propriedades Dos Papéis De M-Aramida
Exemplo Peso Base (g/m2) Espessura (mm) Densidade (g/cm3) Conteúdo de vazios (%) Pico de carga na curvatura (gf) Pico de carga normalizado na curvatura na direção transversal do papel, mgf/(g/m2)3 Resistência ao ar Gurley (s/ 100 mL) Tratamento do papel
Ex. 1 42,0 0,124 0,34 75 28,5 0,38 320 Tratamento térmico a 325 °C. Não calandrado.
Comp. 1 40,0 0,123 0,33 76 15,4 0,24 370 Sem tratamento térmico & não calandrado.
Comp. 3 42,0 0,056 0,75 44 15,0 0,20 > 10 horas Calandrado a 350 °C e 3.000 N/cm de pressão
Comp. 5 40,3 0,123 0,33 76 18,6 0,28 360 Tratamento
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Exemplo Peso Base (g/m2) Espessura (mm) Densidade (g/cm3) Conteúdo de vazios (%) Pico de carga na curvatura (gf) Pico de carga normalizado na curvatura na direção transversal do papel, mgf/(g/m2)3 Resistência ao ar Gurley (s/ 100 mL) Tratamento do papel
térmico a 260 °C. Não calandrado.
Amostra de 2 mil de papel NOMEX® T412 39,0 0,052 0,75 44 14,0 0,24 > 10 horas
Comp. 2 59,7 0,163 0,37 73 56,6 0,27 510 Sem tratamento térmico & não calandrado
Comp. 6 61,0 0,168 0,36 73 57,1 0,25 510 Tratamento térmico a 260 °C. Não calandrado.
Ex. 2 62,0 0,171 0,36 73 86,5 0,36 460 Tratamento térmico a 325 °C. Não calandrado.
Comp. 4 61,0 0,079 0,77 43 49,4 0,22 > 10 horas Calandrado a 350 °C e 3.000 N/cm de pressão.
Tabela 2 - Propriedades Dos Papéis Revestidos
Exemplo Papel usado Conteúdo de resina na estrutura final, % em peso Pico de carga em curvatura (gf) Pico de carga normalizado em curvatura na direção transversal do papel, mgf/(g/m2)3
Ex. 3 Exemplo 1 50 169 0,29
Comp. 7 Exemplo Complementar 3 25 28,1 0,16
Ex. 4 Exemplo 2 46 411 0,27
Comp. 8 Exemplo Complementar 4 25 47,1 0,09
Exemplo 7 [059] Um precursor formado (não calandrado) de papel 1.5T412
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NOMEX®, vendido por DuPont, foi termicamente tratado pela passagem ao redor de dois cilindros de metal com temperatura de superfície de cerca de 325 °C. O papel termicamente tratado final tinha um peso base de 31,5 g/m2, uma espessura de 0,10 mm, e densidade de 0,31 g/cm3. Sólidos representaram cerca de 23 % do volume do papel, enquanto que os 77 % restantes do volume foram de vazios.
[060] Linhas de nó de resina epóxi adesiva à base de solvente foram aplicadas na superfície do papel e o solvente foi removido. A largura das linhas de adesivo foi de 1,78 mm e o passo, ou a distância linear entre o início de uma linha e a próxima linha, foi de 6,7 mm.
[061] A folha com as linhas de nó adesivas foi cortada paralela às linhas de nó para formar folhas menores. As folhas cortadas foram empilhadas uma no topo da outra, de maneira tal que as linhas de nó nas folhas adjacentes tivessem metade do passo irregular uma em relação à outra. O deslocamento ocorreu alternativamente para um lado ou para o outro, de forma que a pilha final ficasse uniformemente vertical. Então, a pilha de folhas foi pressionada a quente, fazendo com que a linha de nó adesiva curasse e, assim, ligasse adjacente às folhas para formar um bloco.
[062] Usando uma estrutura de expansão, o bloco foi expandido até uma forma de célula hexagonal uniforme. O tamanho da célula foi de 3,3 mm. Depois da expansão, o bloco de estrutura em forma de favo de mel, ainda na estrutura de expansão, foi termicamente tratado em um forno de acordo com procedimentos padrões para a estrutura em forma de favo de mel Nomex® para fixar ou endurecer o bloco em sua forma expandida.
[063] Então, o bloco de estrutura em forma de favo de mel foi colocado em um banho de impregnação ou tanque de imersão que contém uma resina resol-fenólica em um solvente etanol. Depois da imersão com resina, o bloco foi removido do tanque, e o excesso de resina drenado. Então, o bloco foi
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18/19 colocado em um forno de secagem de ar quente, o solvente removido e a resina curada pelo aquecimento da temperatura ambiente até cerca de 180 °C em diversas etapas. O ciclo de imersão e cura foi repetido até que a densidade desejada do bloco foi alcançada. Fatias ou folhas da estrutura em forma de favo de mel foram obtidas pelo corte do bloco em ângulos retos em relação às linhas de nó. Então, estas fatias da estrutura em forma de favo de mel foram pós-curadas por tratamento térmico a cerca de 180 °C.
[064] As propriedades mecânicas das fatias da estrutura em forma de favo de mel com tamanho de célula de 3,3 mm foram medidas para três diferentes densidades de núcleo. Os testes foram realizados de acordo com protocolos ASTM em relação à compressão estabilizada, cisalhamento L e W e módulo L e W, respectivamente. Os resultados são mostrados na Tabela 3.
[065] As propriedades mecânicas do núcleo do Exemplo 7 foram comparadas com aquelas tipicamente obtidas do núcleo comercialmente disponível com similares tamanho de célula (3 mm), espessura da fatia (12,5 mm) e densidade (48 e 64 kg/m3). Os produtos escolhidos foram materiais grau HRH10 disponíveis de Hexcel Corporation, Casa Grande, AZ. Estes núcleos são feitos de papel NOMEX® tipo 2T412 calandrado de 2 mil, com um peso base nominal de cerca de 40,7 g/m2, que é cerca de 30 % mais pesado que o papel usado no Exemplo 7. Detalhes adicionais sobre o núcleo HRH10 estão contidos no prospecto da Hexcel HexWeb® Honeycomb Attributes and Properties. Estes dados comparativos são mostrados na Tabela 4. A estrutura em forma de favo de mel preparada a partir de papel não calandrado conforme o Exemplo 7 mostrou resistência à compressão praticamente na mesma faixa para a estrutura em forma de favo de mel comparável feito do papel calandrado muito mais pesado. A resistência ao cisalhamento do núcleo inventivo é ligeiramente maior que o comparativo,
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19/19 com o módulo de cisalhamento sendo significativamente mais alto.
Tabela 3 Propriedades Mecânicas Das Fatias Da Estrutura em Forma de
Favo De Mel Do Exemplo 7
Número de imersões em solução fenólica Densidade do núcleo da estrutura em forma de favo de mel, (kg/m3) Resistência à compressão Estabilizada (MPa) Resistência ao cisalhamento L (MPa) Módulo de cisalhamento L (MPa) Resistência ao cisalhamento W (MPa) Módulo de cisalhamento W (MPa)
2 41,3 1,17 1,17 52,3 0,538 23,9
3 49,0 1,72 1,36 63,1 0,683 33,5
4 63,9 2,50 1,85 78,5 1,05 41,6
Tabela 4 Comparação Das Propriedades Mecânicas Do núcleo Do Exemplo
Com núcleo De Densidade Similar Comercialmente Disponível
Tipo de Núcleo Densidade Nominal do Núcleo (kg/m3) Resistência à compressão Estabilizada (MPa) Resistência ao cisalhamento L (MPa) Módulo de cisalhamento L (MPa) Resistência ao cisalhamento W (MPa) Módulo de cisalhamento W (MPa)
Hexcel HRH10-1/8-3 48 2,23 1,21 41,3 0,69 24,1
Exemplo 5 49 1,72 1,36 63,1 0,68 33,5
Hexel HRH10-1/8-4 64 3,96 1,76 59,3 0,96 32,4
Exemplo 5 64 2,50 1,85 78,5 1,05 41,6
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Claims (5)

  1. Reivindicações
    1. ESTRUTURA EM FORMA DE FAVO DE MEL, caracterizada por compreender uma pluralidade de paredes interconectadas tendo superfícies que definem uma pluralidade de células em forma de favo de mel, em que as ditas paredes de célula são formadas a partir de um papel que compreende:
    a) 5 a 35 partes em volume do material polimérico sólido, e
    b) 65 a 95 partes em volume de vazios; e em que o papel contém 20 a 70% em peso de fibras de m-aramida e 30 a 80% em peso fibrilas de m-aramida; e em que o papel tem um pico de carga normalizado em curvatura igual ou maior que 0,33 mgf/(g/m2)3 e uma resistência ao ar Gurley igual ou maior que 50 segundos / 100 mL.
  2. 2. ESTRUTURA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo papel ser revestido com resina.
  3. 3. ESTRUTURA, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pela resina ser selecionada a partir de fenólica, poli-imida, epóxi e combinações destas.
  4. 4. PAINEL ESTRUTURAL, caracterizado por possuir uma estrutura em forma de favo de mel, conforme definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 3, e pelo menos uma folha de face ligado a uma parte exterior da dita estrutura em forma de favo de mel.
  5. 5. PAINEL, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pela dita folha de face ser feita de fibra ou metal impregnados com resina.
BRPI0819004A 2007-11-30 2008-11-24 estrutura em forma de favo de mel e painel estrutural BRPI0819004B1 (pt)

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