BRPI0921248B1 - Filme de superfície para estruturas compósitas - Google Patents

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curable
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Dmitriy Salnikov
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Abstract

filme de superfície para estruturas compósitas uma construção em camadas é provida tendo um módulo de armazenamento g't25 a 25°c, que compreende: a) um compósito polimérico curado tendo um módulo de armazenamento g's25 a 25°c; e b) um filme de superfície curada ligado ao mesmo; sendo que g't25 não é muito mais elevado do que g's25. tipicamente não mais de 118% de g'525. em algumas modalidades, o filme de superfície curada compreende uma camada eletricamente condutiva, tipicamente uma camada de metal. em algumas modalidades, o filme de supertrcie curada compreende uma resina epóxi curada que pode, opcionalmente, ser uma resina epóxi de cadeia estendida e pode excluir fósforo. a construção em camadas resultante pode exibir alta resistência à pressão, alta resistência à corrosão, e alta resistência a microfissuras. em outro aspecto, são fornecidos métodos de preparo das construções em camadas da presente invenção.

Description

“FILME DE SUPERFÍCIE PARA ESTRUTURAS COMPÓSITAS”
Referência Remissiva para Pedido Relacionado
O presente pedido reivindica o benefício do pedido de patente U.S. n° 61/118242, depositado em 26 de dezembro de 2008, cuja descrição está aqui incorporada em sua totalidade, a título de referência.
Campo da Invenção
A presente invenção refere-se a filmes de superfície para compósitos poliméricos reforçados com fibras, que incluem, opcionalmente, camadas eletricamente condutivas, apresentando alta resistência à erosão, alta resistência à corrosão, e alta resistência a microfissuras, sendo que os filmes são selecionados de forma que o módulo de armazenamento do compósito de apoio ao filme de superfície não é muito elevado em comparação com o módulo de armazenamento do compósito convencional.
Sumário da Invenção
Resumidamente, a presente descrição apresenta uma construção em camadas que tem um módulo de armazenamento a 25°C, que compreende: a) um compósito polimérico curado que tem um módulo de armazenamento G’s25 a 25°C; e b) um filme de superfície curada ligado ao mesmo; sendo que G’t25 é não mais que 118% de G’S25, mais tipicamente que 115%, mais tipicamente não mais que 112%, em algumas modalidades não mais que 110%, em algumas modalidades não mais que 108%, em algumas modalidades não mais que 106%, e em algumas modalidades não mais que 104%. Em algumas das modalidades anteriormente mencionadas, G^ é pelo menos 101% de G’s25. Em outras modalidades, a presente descrição apresenta uma construção em camadas que tem um módulo de armazenamento G’W4 a -54°C, que compreende: a) um compósito polimérico curado que tem um módulo de armazenamento G’s.54 a -54°C; e b) um filme de superfície curada ligado ao mesmo; sendo que G’t-54 é não mais que 122% de G’s.54> mais tipicamente não mais que 118%, mais tipicamente não mais que 115%, mais tipicamente não mais que 111%, em algumas modalidades não mais que 110%, em algumas modalidades não mais que 107%, e em algumas modalidades não mais que 104%. Em algumas modalidades anteriormente mencionadas, G’t.54 é pelo menos 101% de G’s.54. Em algumas modalidades, o filme de superfície curada compreende uma camada eletricamente condutiva, tipicamente uma camada de metal, que pode, opcionalmente, ser uma folha metálica, folha metálica expandida, rede, pano, fio, ou similares. Em algumas modalidades, o filme de superfície curada compreende uma resina epóxi curada que pode, opcionalmente, ser uma resina epóxi de cadeia estendida. Tipicamente, a resina exclui fósforo. Em algumas modalidades, a construção em camadas apresenta alta resistência à erosão. Em algumas modalidades, a construção em camadas apresenta alta resistência à corrosão. Em algumas modalidades a construção em camadas apresenta alta resistência a microfissuras. Em algumas modalidades, a construção em camadas exibe alta resistência a microfissuras em resposta ao choque térmico. Em algumas modalidades, a construção em camadas exibe alta resistência a microfissuras em resposta ao esforço mecânico.
Em um outro aspecto, a presente descrição apresenta um método para fabricação de uma construção em camadas compreendendo as etapas de: a) fornecer um compósito polimérico curável; b) fornecer um filme de superfície curável; d) fornecer uma ferramenta que tem um formato que é o inverso do formato desejado da construção em camadas; e) colocar o filme de superfície curável e o compósito polimérico curável, nesta ordem, na ferramenta; e e) curar o compósito polimérico curável e o filme de superfície curável. Em algumas modalidades, a construção em camadas resultante tem um módulo de armazenamento G’t25 a 25°C, sendo que uma construção fabricada da mesma maneira mas sem o filme de superfície curável tem um módulo de armazenamento G’S25 a 25°C; sendo que G’t25 é não mais que 118% de G’s25, mais tipicamente não mais que 115%, mais tipicamente não mais que 112%. Em algumas modalidades não mais que 110%, em algumas modalidades não mais que 108%, em algumas modalidades não mais que 106%, e em algumas modalidades não mais que 104%. Em algumas das modalidades anteriormente mencionadas, G’t25 é pelo menos 101% de G’s25· Em algumas modalidades, a construção em camadas resultante tem um módulo de armazenamento G’t54 a -54°C, sendo que uma construção fabricada da mesma maneira, mas sem o filme de superfície curável tem um módulo de armazenamento G’s25 a 54 C; sendo que G’t.54 é não mais que 122% de G’s.54, mais tipicamente não mais que 118%, mais tipicamente não mais que 115%, mais tipicamente não mais que 111%, em algumas modalidades não mais que 110%, em algumas modalidades não mais que 107%, e em algumas modalidades não mais que 104%. Em algumas modalidades anteriormente mencionadas, G’t.54 é pelo menos 101% de G’s.54. Em algumas modalidades, a cura é executada sob pressão subatmosférica, tipicamente menos que 90% de uma atmosfera, mais tipicamente menos que 50% de uma atmosfera, e mais tipicamente menos que 10% de uma atmosfera. Em algumas modalidades, o filme de superfície curável compreende uma camada eletricamente condutiva, tipicamente uma camada de metal, que pode, opcionalmente, ser uma folha metálica, folha metálica expandida, rede, pano, fio, ou similares. Em algumas modalidades, o filme de superfície curável compreende uma resina epóxi curável que pode, opcionalmente, ser uma resina epóxi de cadeia estendida. Tipicamente, a resina exclui fósforo. Em algumas modalidades a construção em camadas resultante apresenta alta resistência à erosão. Em algumas modalidades a construção em camadas resultante apresenta alta resistência à corrosão. Em algumas modalidades a construção em camadas resultante apresenta alta resistência a microfissuras. Em algumas modalidades, a construção em camadas resultante exibe resistência a microfissuras em resposta ao choque térmico. Em algumas modalidades, a construção em camadas exibe alta resistência a microfissuras em resposta ao esforço mecânico.
Breve descrição do desenho
A figura 1 é um diagrama de uma construção em camadas, conforme descrito na seção Exemplos, abaixo.
A figura 2 é um diagrama de uma construção em camadas, conforme descrito na seção Exemplos, abaixo.
A figura 3 é um micrógrafo de uma construção em camadas da técnica anterior, conforme descrito na seção Exemplos, abaixo.
A figura 4 é um micrógrafo de uma construção em camadas da técnica anterior, conforme descrito na seção Exemplos, abaixo.
A figura 5 é um micrógrafo de uma construção em camadas da técnica anterior, conforme descrito na seção Exemplos, abaixo.
A figura 6 é um micrógrafo de uma construção em camadas da técnica anterior, conforme descrito na seção Exemplos, abaixo.
A figura 7 é um micrógrafo de uma construção em camadas da presente descrição, conforme descrito na seção Exemplos, abaixo.
A figura 8 é um micrógrafo de uma construção em camadas da presente descrição, conforme descrito na seção Exemplos, abaixo.
Descrição detalhada
A presente descrição refere-se em geral a um material de superfície para estruturas compostas de superfície e a métodos de utilização do mesmo.
O uso de laminados compósitos de matriz de resina reforçada com fibras tem se tornado amplamente aceito para uma variedade de aplicações em indústrias automotivas e de aviação devido ao seu peso leve, alta resistência e rigidez. Benefícios devido à redução de peso e melhorias no desempenho são as principais razões por detrás da implementação de laminados compósitos de matriz de resina reforçada com fibras em aplicações industriais. Vários componentes de aeronaves são fabricados de fibra de vidro e compósitos reforçados com fibras de carbono, incluindo seções de fuselagem de aeronaves e estruturas da asa. Entretanto, em virtude de serem leves e fortes, as estruturas compósitas não são tão eletricamente condutivas como as estruturas de alumínio, anteriormente amplamente utilizadas. Existe uma necessidade de se fornecer estruturas compósitas com uma proteção adequada contra descargas elétricas causadas. Estruturas compósitas e, em particular, aeronaves compósitas que não estão constantemente aterradas precisam contar com um sistema de proteção contra descargas provocadas por raios capaz de dissipar a carga rapidamente em todo o volume de sua estrutura como um meio de dissipação de energia elétrica. Para evitar a corrosão e subsequente perda de condutividade, o componente metálico de proteção contra raios pode ser encapsulado em um filme de superfície. O sistema de proteção contra descargas provocadas por raios tem de ser suficientemente condutivo, leve e durável. A durabilidade do sistema de proteção contra raios depende em grande parte da fiabilidade do polímero de superfície que encapsula o componente metálico. Os sistemas de proteção contra raios tendem a sofrer microfissuras internas e fissuras na superfície devido às constantes mudanças de temperatura, umidade e pressão, diferenças nos coeficientes de expansão térmica dos diferentes componentes, tensões internas, adesão interfacial menor do que ideal entre os componentes metálicos e o polímero de superfície, bem como estresse cíclico contínuo em vários componentes da aeronave. As microfissuras e as fissuras superficiais podem tornar o componente metálico de um sistema de proteção contra raios suscetível à corrosão e subsequente perda de condutividade elétrica, em virtude da penetração de umidade. A deterioração da proteção contra os raios causada pela corrosão pode causar um aumento do tempo de inspeção, aumento do tempo e do custo de manutenção e um comprometimento potencial da segurança da aeronave. As microfissuras e as fissuras na superfície podem se estender para o acabamento da superfície causando defeitos visuais nas superfícies pintadas e aumentar ainda mais o custo de manutenção.
Esta descrição demonstra que a capacidade dos artigos compósitos curados com filme de superfície, de acordo com a presente descrição, de resistir a microfissuras está relacionada ao módulo (armazenamento) elástico (G’) do filme de superfície. O módulo (armazenamento) elástico (G’) pode ser testado por métodos convencionais, tipicamente com o analisador dinâmico reométrico, modo torsão, conforme descrito no exemplo. Uma resistência aprimorada à microfissura foi encontrada no filme de superfície, de acordo com a presente descrição, na qual os filmes são selecionados de forma que o módulo de armazenamento do rolamento compósito do filme de superfície não é muito elevado em comparação com o módulo de armazenamento do compósito não revestido. Esta seleção pode também ser apresentada da seguinte forma: O módulo de armazenamento do compósito com filme de superfície medido a 25°C [G’t25] é não mais que 118% do módulo de armazenamento do compósito sem filme de superfície medido a 25°C [G’S25], mais tipicamente não mais que 115%, mais tipicamente não mais que 112%, em algumas modalidades não mais que 110%, em algumas modalidades não mais que 108%, em algumas modalidades não mais que 106%, e em algumas modalidades não mais que 104%. Esta seleção pode também ser apresentada da seguinte forma: O módulo de armazenamento para o compósito com filme de superfície medido a -54°C [G’t.54] é não mais que 118% do módulo de armazenamento para o compósito sem filme de superfície medido a 54°C [G’s^4], mais tipicamente não mais que 115%, mais tipicamente não mais que 112%, em algumas modalidades não mais que 110%, em algumas modalidades não mais que 108%, em algumas modalidades não mais que 106%, e em algumas modalidades não mais que 104%.
Qualquer compósito polimérico adequado pode ser usado. Compósitos úteis à presente descrição podem compreender qualquer componente de reforço adequado, que pode incluir metal, madeira, polímero, partículas de carvão ou fibras, partículas de vidro ou fibras, ou combinações dos mesmos, e pode incluir qualquer componente matriz adequado, que pode incluir um poliéster, vinil éster, epóxi, fenólico, poliimida, poliamida, polipropileno, PEEK, ou outros polímeros ou combinações dos mesmos, e pode, opcionalmente, ser fabricado com o uso de materiais pré-impregnados.
Pode ser usado qualquer filme de superfície adequado que atende aos requisitos de módulo de armazenamento indicados na presente invenção. Em algumas modalidades, o filme de superfície curável compreende uma resina epóxi corável. Em algumas modalidades, o filme de superfície curável compreende uma resina epóxi curável que pode opcionalmente ser uma resina epóxi de cadeia estendida. Em algumas modalidades o filme de superfície curável compreende um agente de têmpera com a carcaça do núcleo de borracha. Em algumas modalidades o filme de superfície curável compreende uma resina epóxi modificada por uretano. Em algumas modalidades o filme de superfície curável compreende uma resina epóxi modificada por CTBN. Em algumas modalidades o filme de superfície curável compreende uma resina fenóxi. Em algumas modalidades o filme de superfície curável compreende uma resina fenóxi micronizada. Em algumas modalidades o filme de superfície curável compreende um endurecedor fenólico. Tipicamente, a resina exclui fósforo.
A composição do filme de superfície curável é tipicamente diferente da composição do polímero matriz curável do compósito polimérico. A composição do filme de superfície curada é tipicamente diferente da composição do polímero matriz curado do compósito polimérico.
Em algumas modalidades, o filme de superfície curável compreende uma camada eletricamente condutiva, tipicamente uma camada de metal, que pode opcionalmente ser uma folha metálica, folha metálica expandida, rede, pano, fio, ou similares.
O filme de superfície curável pode ter qualquer espessura adequada, tipicamente entre 0,05 e 1,0 mm.
A construção em camadas pode ser fabricada por meio de qualquer método adequado. Em algumas modalidades, um filme de superfície curável e um compósito polimérico curável são colocados, nesta ordem, em uma ferramenta que tem um formato inverso do formato desejado da construção em camadas, sendo que o compósito polimérico curável e o filme de superfície curável são curados. Em algumas modalidades, a cura é obtida com aplicação de calor. Em algumas modalidades, a cura é executada sob pressão sub-atmosférica, tipicamente menos que 90% de uma atmosfera, mais tipicamente menos que 50% de uma atmosfera, e mais tipicamente menos que 10% de uma atmosfera.
Os objetivos e vantagens desta invenção são ilustrados, adicionalmente, pelos exemplos a seguir, porém, os materiais e quantidades mencionados nestes exemplos, bem como outras condições e detalhes, não devem ser interpretados de modo a limitar indevidamente esta invenção.
Exemplos Ex. 1 a 5 e Exemplos comparativos ExC. 1-5
Exceto onde especificado em contrário, todos os reagentes foram obtidos ou estão disponíveis junto à Aldrich Chemical Co., Milwaukee, Wl, EUA, ou podem ser sintetizados através de métodos conhecidos.
Materiais usados:
EPON™ 1004F: Resina de poliepóxido à base de bisfenol A de peso molecular médio que tem um peso equivalente em epóxido entre 800 a 950 gramas/equivalente, da Hexion Specialty Chemicals GmbH, disponível junto à Resolution Performance Products, Houston, Texas, EUA.
D.E.H.™ 85: Endurecedor fenólico não-modificado que tem um peso equivalente de hidrogênio ativo entre 250 to 280 gramas/equivalente, disponível junto à Dow Chemical Company, Midland, Michigan, EUA.
PAPHEN® PKHP-200: Resina fenóxi micronizada que tem um tamanho de partícula de <200 mtcrons, disponível junto à Phenoxy Associates, Rock Hill, SC, EUA.
HYPOX™ UA10: HyPox™ Resina epóxi Bisfenol A modificada por UA10 uretano, disponível junto à CVC Specialty Chemicals Inc., Moorestown, New Jersey, EUA.
HYPOX™ RA95: HyPox™ Resina epóxi Bisfenol A modificada por RA95 CTBN, disponível junto à CVC Specialty Chemicals Inc., Moorestown, New Jersey, EUA.
ΚΑΝΕ ACE® MX 120: Um concentrado de 25% de agente de têmpera de borracha do tipo casca-núcleo (core-shell) em resina epóxi líquida à base de bisfenol-A, disponível junto à Kaneka Texas Corporation, 6161 Underwood Road, Pasadena TX, EUA 77507.
EPALLOY® 7200: Um éter diglicidílico quimicamente modificado por bisfenol A, disponível junto à CVC Specialty Chemicals Inc., Moorestown, New Jersey, EUA.
AMICURE® CG-1400: Agente de cura diciandiamida disponível junto à Air Products and Chemicals, Incorporated, Allentown, Pennsylvania, EUA.
OMICURE™ U-52: Ureia aromática substituída (4,4' metileno bis (fenil dimetil ureia)) usada como um acelerador latente para cura com o uso de diciandiamida de resinas epóxi, disponível junto à CVC Specialty Chemicals Inc., Moorestown, New Jersey, EUA.
AF-555: 3M™ Scotch-Weld™ file adesivo estrutural AF-555 U. 015, um adesivo epóxi estrutural não-suportado, endurecido por calor designado para cura a temperaturas de 149°C (300°F) a 177°C (350°F), disponível junto à 3M Company, St. Paul, Minnesota, EUA.
AF-191: 3M™ Scotch-Weld™ Filme Adesivo Estrutural AF-191 U 0,05, uma resina epóxi modificada não-suportada, endurecida por calor, para colar compósitos, metal com metal e metal com componentes do tipo colmeia com alta força e descolamento a 177°C (350°F), disponível junto à 3M Company, St. Paul, Minnesota, EUA.
AF-325: 3M™ Scotch-Weld™ Filme compósito para superfície de baixa densidade
AF-325, azul, 0,035, disponível junto à 3M Company, St. Paul, Minnesota, EUA.
FM® 300-2K FM® 300-2K 0,08 filme adesivo de epóxi modificado, vermelho, que compreende um condutor tecido para suporte disponível junto à Cytec Engineered Materiais Technical Service Havre de Grace, MD, EUA 21078.
SYNSKIN® HC 9837.1: Filme compósito para superfície à base de epóxi designado para otimizar a qualidade da superfície de peças compósitas enrijecidas, que compreende um tecido não-tecido para suporte. Disponível junto à Henkel Corporation, Aerospace Group, 2850 Willow Pass Road, Bay Point, CA, EUA 94565
Fita protetora: Papel Kraft siliconado disponível junto à Loparex, lowaCity, IA, EUA, n° de produto 23210 (76# BL KFT H/HP 4D/6MH papel 42”).
Folha Metálica de Cobre Expandido: DEXMET® 3CÜ7-100A, 195,3 g/m2 (0,040 Ib/ft2). Disponível junto à Dexmet Corporation, 14 Commercial Street, P.O. Box 427, Branford, CT, EUA 06405.
Pre-Preg: Um material pre-preg compósito de resina epóxi/fibra de carbono tecida, disponível junto à Criticai Materiais, Incorporated, Poulsbo, Washington, como BMS 8-256, TYPE 4, CLASSe 2, ESTILO 3K-70-PW, CYCOM® 970/PWC T300 3K VT 42”.
Tabela 1. Formulações.
Componente Ex. 1 Ex. 2 Ex. 3 Ex. 4 Ex. 5 ExC-1 ExC-2 ExC-3 ExC-4 ExC-5
EPON™ 1004F 15 15 15 15 10 AF-325 I AF-555 AF-191 SYNSKIN® HC 9837.1 FM®300-2K
ΚΑΝΕ ACE®MX 120 15 10 10 10 15
EPALLOY®7200 20 30 20 20 30
HYPOX™ UA10 0 0 5 0 0
HYPOX™ RA95 0 0 0 5 0
PAPHEN® PKHP-200 5 5 5 5 5
D.E.H.™ 85 0 0 0 0 2,5
AMICURE® CG-1400 2,8 3,2 2,8 2,8 3,5
OMICURE™ U-52 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5
Preparação de Composições de Resina
Nos exemplos 1 a 5, as resinas de poliepóxidos e modificadores de fluxo (se aplicável) indicados na tabela 1 foram carregados em um recipiente plástico com 200 gramas de capacidade nas razões indicadas. O recipiente foi aquecido por cerca de 15 minutos em um forno com circulação forçada de ar configurado para 125°C, a seguir foi removido e colocado em uma misturador do tipo planetário (SPEED MIXER™, Modelo DA 400 FV, disponível junto à Synergy Devices Limited, Buckinghamshire, Reino Unido) configurado para uma velocidade de 2750 rpm durante 1 minuto. O recipiente com a blenda de resinas de poliepóxido e o modificador de fluxo (se aplicável) foi então recolocado no forno e equilibrado a cerca de 120°C por um período entre 15 e 20 minutos. Em seguida, após a adição de um modificador de têmpera à blenda de resina/modificador e mistura conforme descrito acima, o recipiente foi removido do misturador planetário e resfriado até uma temperatura abaixo de 100°C. Os agentes de cura foram então adicionados e a blenda foi misturada conforme descrito acima. Após a remoção do misturador, a parede interna do recipiente foi descartada seguida pela colocação da parte posterior do recipiente no misturador para outro ciclo. A composição de resina obtida foi usada imediatamente para preparação de um filme de superfície não-curada, sustentado por fita protetora.
Preparação de Filmes de Superfície Não-curados, Sustentados por Fita Protetora
A composição aquecida [90°C/194°F] do procedimento de “preparação de composições de resina” acima foi colocada como revestimento entre duas fitas de proteção de papel de 0,13 mm (0,005 polegada) espessura, cada um tendo um revestimento para liberação em silicone em um lado e um revestimento de polietileno do lado oposto, de forma que o filme de superfície estava em contato com o lado revestido em silicone de cada fita de proteção. Isto foi feito com o uso de uma estação revestidora de facas-sobre-leito tendo uma configuração de vão de 0,20 mm (0,008 polegadas) maior que a espessura combinada da fita protetora removível, e uma temperatura de leito e facas de 90°C (194°F). Um filme de superfície sustentado por fita protetora foi obtido. O sanduíche fita protetora/filme de superfície/fita protetora foi armazenado durante 24 horas à temperatura ambiente 22°C (cerca de (72°F)),e, em seguida, armazenado a -29°C (-20°F) até posterior uso.
Preparação de Laminados de Filme de Superfície não-Curada com proteção incorporada contra raios (folha metálica de cobre expandido)
Uma amostra do sanduíche fita protetora/filme de superfície/fita protetora foi equilibrada à temperatura ambiente antes do uso. A fita protetora de um lado do sanduíche, medindo cerca de 29,2 centímetros (11,5 polegadas) de comprimento e cerca de 15,2 centímetros (6 polegadas) de largura, foi removida e uma folha metálica de cobre expandido foi colocada na superfície exposta do filme de superfície. Alternativamente, nos exemplos comparativos, a folha metálica de cobre expandido foi colocada sobre a superfície exposta de um filme de superfície comparativo. Esta folha metálica de cobre expandido era levemente maior em tamanho do que o sanduíche. A fita protetora foi recolocada sobre a folha metálica de cobre expandido e esta configuração foi passada entre cilindros de estrangulamento aquecidos, revestidos com borracha a uma temperatura de aproximadamente 60°C (140°F). A posição do cilindro superior e sua pressão de contato com o menor cilindro de movimentação foi controlada por pistões de ar pressurizado tendo uma pressão de suprimento de ar de cerca de 137,9 kPa (20 psi). Foi obtido um filme de superfície tendo uma folha metálica de cobre expandido embutido e tendo uma fita protetora removível em cada lado.
Preparação de Artigos Compósitos Poliméricos Curados com Filme de Superfície em uma Superfície Externa
Com referência à figura 1, artigos compósitos poliméricos reforçados com fibra de carbono tecida 10 tendo um filme de superfície 40 em uma superfície externa de um substrato 5 compósito 30 foram fabricados através do seguinte processo: Três estratos de fibra de carbono de material pre-preg, medindo 10,16 centímetros por 10,16 centímetros (4 polegadas por 4 polegadas), foram postos um sobre o outro e uma camada de filme de superfície obtida conforme descrito em “preparação de filmes de superfície sustentados por fita protetora” foi posicionada na superfície externa superior da construção resultante. Alternativamente, nos 10 exemplos comparativos, foi usada uma camada de um filme de superfície comparativo. Esta estocagem foi colocada em uma bolsa de vácuo com filme de superfície diretamente contra a superfície da ferramenta que foi então posicionada em uma autoclave. Um vácuo total de cerca de 94,8 kPa (28 polegadas Hg) foi aplicado à temperatura ambiente (aproximadamente 22°C (72°F)) por 10 a 15 minutos após o qual a pressão externa foi aumentada gradualmente 15 para 397 kPa (55 psi). A bolsa de vácuo foi mantida sob vácuo total (94,8 kPa (28 polegadas de Hg)) pelo período de duração do ciclo de cura, e a temperatura foi aumentada em 2,8°C/minuto (5°F/minuto) até 177°C (350°F) e mantida ali durante 2 horas. O artigo compósito polimérico curado (figura 10) com filme de superfície 40 em uma superfície foi então resfriado a 5,5°C/minuto (40 10°F/minuto) até a temperatura ambiente, em cujo ponto a 20 pressão foi liberada, e o artigo curado tendo uma espessura aproximada de 0,114 mm (0,045 polegadas) foi removido da autoclave e da bolsa de vácuo.
Preparação dos Artigos Compósitos Poliméricos Curados com Filme de Superfície com Folha Metálica de Cobre Expandido em uma superfície externa
Com referência à figura 2, artigos compósitos poliméricos curados reforçados com 25 fibra de carbono tecido 20 tendo um filme de superfície 50 incorporando proteção contra raio sob a forma de uma folha metálica de cobre expandido 60 em uma superfície externa de um substrato compósito 30 foram fabricados através do seguinte processo: Três estratos de fibra de carbono de material pre-preg, medindo 10,16 centímetros por 10,16 centímetros (4 polegadas por 4 polegadas), foram postos um sobre o outro e uma 30 camada de filme de superfície com folha metálica de cobre expandido incorporada obtida conforme descrito em “Preparação de Laminados de Filme de Superfície não-Curada com proteção incorporada contra raios (folha metálica de cobre expandido)” foi posicionada na superfície externa superior da construção resultante. Esta estocagem foi colocada em uma bolsa de vácuo com filme de superfície diretamente contra a superfície da ferramenta que 35 foi então posicionada em uma autoclave. Um vácuo total de cerca de 94,8 kPa (28 polegadas Hg) foi aplicado à temperatura ambiente (aproximadamente 22°C (72°F)) por 10 a 15 minutos após o qual a pressão externa foi aumentada gradualmente até
397 kPa (55 psi). A bolsa de vácuo foi mantida sob vácuo total (94,8 kPa (28 polegadas de Hg)) pelo período de duração do ciclo de cura, e a temperatura foi aumentada em 2,8’C/minuto (5°F/minuto) até 177°C (350°F) e mantida ali durante 2 horas. O artigo compósito polimérico curado (figura 2) com filme de superfície em uma superfície foi então resfriado a 5,5°C/minuto (10°F/minuto) até a temperatura ambiente, em cujo ponto a pressão foi liberada, e o artigo curado tendo uma espessura aproximada de 0,114 mm (0,045 polegadas) foi removido da autoclave e da bolsa de vácuo.
Realização de Testes com Simulador de Erosão por chuva
O aparelho usado para teste da resistência à erosão por chuva é descrito em detalhe na publicação de patente US n° 2008/0209981 A1 “Method of Testing Liquid Drop Impact and Apparatus”, estando a descrição da mesma aqui incorporada, por referência.
O aparelho de teste foi montado com o uso de uma pistola de ar calibre 0,177 (“pistola de ar Drozd”, European American Armory Corporation, Cocoa, CR, EUA) e um tubo de cloreto de polivinila de 1,27 cm (½ polegada) de diâmetro usado como a seção do barril. Péletes de acetato, grau II, de 4,5 mm (Engineering Laboratories, Inc, Oakland, NJ, EUA) são impulsionados com o uso de uma arma de pélete que está conectada a um tanque de nitrogênio comprimido (Oxigen Company, St. Paul, MN, EUA) ajustado a cerca de 414 kPa (60 psi). As amostras são continuamente revestidas por um fluxo de água liberado com o uso de uma bomba d'água (parte n° 23609-170, VWR, West Chester, PA, EUA). A velocidade dos péletes foi medida com um cronógrafo CED Millennium, disponível junto à Competitive Edge Dynamics LLC, Orefield, AP, EUA.
As amostras de teste foram usinadas em um disco de diamante a partir de amplos painéis de teste conforme descrito acima. As amostras foram testadas pela adesão de aproximadamente 1,27 cm por 1,27 cm (0,5 polegadas por 0,5 polegadas) espécimes de Artigos Compósitos Poliméricos Curados com filme de superfície ou Artigos Compósitos Poliméricos Curados com filme de superfície com folha metálica de cobre expandido em uma superfície externa em uma placa de aço inoxidável 304 redonda tendo um diâmetro externo de 7,6 cm e um orifício central com um diâmetro de 0,35 cm. As amostras de teste foram posicionadas na superfície compósita não acabada abaixo do substrato em aço inoxidável. Um kit adesivo de duas partes 3M™ Scotch-Weld™ 2158 B/A foi usado para aderir as amostras ao substrato em aço inoxidável. O adesivo usado para aderir as amostras aos substratos permaneceu curando durante 24 horas a 24°C (75°F) antes da realização de testes. Os testes foram conduzidos a uma taxa de doses de 10 doses/segundo. O resultado dos testes são mostrados nas tabelas 2 e 3.
Tabela 2. Resultados do teste de Erosão por Simulação de Chuva para
Painéis de Superfície Compósita sem Folha Metálica de Cobre Expandido
ExC-5 (FM® 300-2K) sem Cu ExC-2 (AF-555) sem Cu ExC-1 (AF-325) sem Cu ExC-3(AF-191) sem Cu Ex-1 (SF-1) sem Cu Ex-2 (SF-2) sem Cu Ex-4 (SF-4) sem Cu
N° total de doses 323 437 30 383 366 394 690
Velocidade média (m/s (pés/s)) 139(456) 138(453) 139,9 (459) 139,9 (459) 140,5 (461) 138(453) 138,6 (455)
Fissura detectada a 323. Nenhuma fissura em 437 Fissura detectada em 30. Nenhuma fissura detectada em 383 Nenhuma fissura detectada em 366 Nenhuma fissura detectada em 394 Nenhuma fissura detectada em 690
Tabela 3. Resultados do teste de Erosão por Simulação de Chuva para
Painéis de Superfície Compósita com Folha Metálica de Cobre Expandido
ExC-5 (FM® 300-2K) com Cu ExC-2 (AF-555 com Cu ExC-1 (AF-325) com Cu ExC-3 (AF-191) com Cu Ex-1 (SF-1) com Cu Ex-2 (SF-2) com Cu Ex-4 (SF-4) com Cu
N° total de doses 353 63 56 391 180 436 341
Velocidade média (m/s (pés/s)) 137,1 (450) 141,1 (463) 138 (453) 139,5 (458) 139,5 (458) 138 (453) 137,4 (451)
Fissura detectada a 150. Cobre exposto a 353 Cobre exposto em 63 Cobre exposto em 30 Fissura detectada em 180. Cobre exposto em 391 Fissura detectada em 180. Fissura detectada em 436. Nenhuma fissura detectada em 341
O exame das amostras para detecção de fissura foi realizado com o uso de um microscópio ótico de ampliação variável (7x a 30x) Bausch and Lomb com fonte de luz 5 externa. Os filmes de superfície de acordo com a presente descrição se mostraram mais duráveis do que as soluções de superfície comparativas, conforme evidente por um ‘‘Número de Doses antes da Detecção da Fissura.
A figura 3 é um micrógrafo de amostra de teste do ExC-5 (FM® 300-2K) com cobre, após a testagem no simulador de erosão por chuva. A figura 4 é um micrógrafo de uma amostra de teste do ExC-3 (AF-191) com cobre após a testagem no simulador de erosão por chuva. A figura 5 é um micrógrafo de uma amostra de teste do ExC-1 (AF-325) com cobre após a testagem no simulador de erosão por chuva. A figura 6 é um micrógrafo de uma amostra de teste do ExC-2 (AF-555) com cobre após a testagem no simulador de erosão por chuva. A figura 7 é um micrógrafo de uma amostra de teste do ExC-1 (SF-1) com cobre após a testagem no simulador de erosão por chuva. A figura 8 é um micrógrafo de uma amostra de teste do Ex-4 (SF-4) com cobre após a testagem no simulador de erosão por chuva.
Realização de Teste pela Exposição ao Choque Térmico Estático
As amostras de teste com dimensões aproximadas de 12,7 cm (5,0 polegadas) por 3,8 cm (1,5 polegadas) por 0,114 cm (0,045 polegadas) foram usinadas em um disco de diamante a partir dos maiores painéis de teste preparados conforme descrito acima em relação à folha metálica de cobre expandido.
Cinco amostras de teste representando cada exemplo ou exemplo comparativo preparadas conforme descrito acima com incorporação de folha metálica de cobre expandido foram condicionadas a 23,89°C (75°F)/umidade ambiente por sete dias antes de serem colocadas dentro do forno de câmara dupla resistente à choque térmico onde uma câmara é capaz de manter -54°C (-67°F) e a outra câmara é capaz de manter 80°C (180°F). O tempo de equilíbrio para cada temperatura foi de 10 minutos. 1000 horas de tempo de exposição é obtido em aproximadamente sete dias.
Na marcação de 1000 e 2000 horas, uma amostra representativa de cada exemplo ou exemplo comparativo foi removida da câmara de choque térmico e examinada para identificação de microfissuras. As amostras restantes foram mantidas para continuação dos testes.
Os exames das amostras para detecção de fissuras foram realizados com o uso do mesmo microscópio usado para detecção de fissuras de amostras para simulação de erosão por chuva.
Tabela 4. Resultados do Choque Térmico/Estático
1000 h 2000 h
ExC-1 (AF-325) nenhuma fissura múltiplas fissuras
ExC-2 (AF-555) nenhuma fissura múltiplas fissuras
ExC-3 (AF-191) nenhuma fissura múltiplas fissuras
ExC-4 (SYNSKIN® HC 9837.1) nenhuma fissura poucas fissuras
ExC-5 (FM® 300-2K) múltiplas fissuras múltiplas fissuras
Ex-1 (SF-1) nenhuma fissura poucas fissuras
Ex-2 (SF-2) nenhuma fissura nenhuma fissura
Ex-3 (SF-3) nenhuma fissura nenhuma fissura
Ex-4 (SF-4) nenhuma fissura nenhuma fissura
Analisador Reométrico Dinâmico (RDA), Modo Torsão
As amostras de teste com dimensões aproximadas de 3,8 cm (1,5 polegadas) por
0,635 cm (¼ polegadas) por 0,114 cm (0,045 polegadas) foram usinadas na serra de diamante a partir de painéis de teste maiores preparados conforme descrito acima e relação à folha metálica de cobre expandido. Além disso, uma amostra de teste de dimensões similares 5 foi preparada de apenas três estratos do compósito reforçado com fibra de carbono tecida curada sem qualquer filme de superfície na superfície externa. As amostras foram testadas utilizando o analisador reométrico dinâmico com o uso do método de torsão com uma frequência de 1 Hz ou 10 Hz e 0,2% ou 1,0% de esforço aplicado e em condições isotérmicas a 24°C (75°F) ou -54°C (-67°F). A realização de testes a 10 Hz, 1,0% de alongamento, 24°C 10 (75°F) e -54°C (-67°F) foi conduzida durante duas (2) horas. A realização de testes a 1 Hz,
0,2% de alongamento, -54°C (-67°F) foi conduzida durante vinte e quatro (24) horas.
Tabela 5. Resultados do teste de Torsão RDA.
1 Hz0,2%de alongamento 24 h@-54°C 10Hz1%de alongamento 2 h@24°C 10 Hz 1% de alongamento 2 h@-54°C
ExC-1 (AF-325) múltiplas fissuras 2 fissuras múltiplas fissuras
ExC-2 (AF-555) nenhuma fissura nenhuma fissura 4 fissuras
ExC-3 (AF-191) nenhuma fissura nenhuma fissura 1 fissura
ExC-4 (SYNSKIN® HC 9837.1) nenhuma fissura 5 fissuras múltiplas fissuras
ExC-5 (FM® 300-2K) múltiplas fissuras múltiplas fissuras múltiplas fissuras
Ex-1 (SF-1) nenhuma fissura nenhuma fissura nenhuma fissura
Ex-4 (SF-4) nenhuma fissura nenhuma fissura nenhuma fissura
Ex-5 (SF-5) nenhuma fissura nenhuma fissura nenhuma fissura
O exame das amostras para detecção de fissura após a realização de testes em RDA no modo torsão foi realizado com o uso de um microscópio ótico de ampliação 15 variável (7x a 30x) Bausch and Lomb com fonte de luz externa.
Como ficou evidente a partir dos dados da tabela 5, a resistência a microfissuras dos filmes de superfície de acordo com a presente descrição foi superior aos exemplos comparativos.
A tabela 6 mostra os dados do modo elástico (armazenamento) (G’) para 20 amostras representativas dos exemplos e do exemplo comparativo. De acordo com a metodologia de teste RDA, G’ é definido como o módulo (armazenamento) elástico = cos δ (τ/γ) onde δ é um ângulo de fase (deslocamento de fase entre vetores de estresse e alongamento), τ é estresse e γ é alongamento.
Tabela 6. Dados do Módulo (Armazenamento) Elástico (Θ’) para Substratos Compósitos Curados Sem Revestimento e Artigos Compósitos Poliméricos Curados com Filme de Superfície gue Incorporam Folha Metálica de Cobre Expandido
^0 ΐ© 133% 130% 123% 126% 140% 113% 110% 106% 103% 110%
LLJ o in 0 á© 125% 129% 122% 118% 137% 114% 111% 107% 103% 111%
o.+4 0 © 0,75 0,77 0,81 0,79 0,71 co CO o τΟ) o 0,94 0,97 0,92
Jüü Γ«0 m 0 +«& 0 o 0,79 0,77 0,83 0,84 0,73 0,87 o σ> o 0,93 0,96 0,92
Módulo de armazenamento, substrato com filme de superfície [G’s+G’re] @-54°C [AP] 4.0E+09 60+36‘e 3.7E+09 3.8E+09 4.2E+09 3.4E+09 3.3E+09 60+32‘ε 60+3 Ρε 3.3E+09
Módulo de armazenamento, Substrato sem revestimento [G’,|@-54OC [AP] 60+30‘S 60+30‘ε 3.0E+09 60+30'9 i 60+30‘ε 60+30‘ε 3.0E+09 60+30‘ε 60+30‘ε 3.0E+09
Módulo de armazenamento, substrato com filme de superfície [G’s+G’re]@25oC [AP] 3.4E+09 3.5E+09 3.3E+09 3.2E+09 3.7E+09 3.1E+09 60+30‘ε 2.9E+09 σ> ο + LU 00 CM 60+30‘ε
Módulo de armazenamento, Substrato sem revestimento [Gy@25°C[AP] 2.7E+09 2.7E+09 2.7E+09 2.7E+09 2.7E+09 2.7E+09 O) o + LU hcm 2.7E+09 2.7E+09 2.7E+09
ExC-1 (AF-325) ExC-2 (AF-555) ExC-3 (AF-191) ExC-4 (SYNSKIN® HC 9837.1) ExC-5 (FM® 300-2K) Ex-1 (SF-1) Ex-2 (SF-2) Ex-3 (SF-3) Ex-4(SF-4) Ex-5 (SF-5)
A capacidade dos artigos compósitos curados com filme de superfície, de acordo com a presente descrição, incorporando folha metálica de cobre expandida em uma superfície externa de resistir a microfissuras está relacionada com módulo (armazenamento) elástico (G’) do filme de superfície (em particular, conforme testado pelos métodos convencionais, tipicamente analisador dinâmico reométrico, modo torsão, conforme descritos acima.). A resistência aprimorada a fissuras foi identificada nos filmes de superfície de acordo com a presente descrição, especialmente quando a razão do módulo de armazenamento G’s para os três estratos de substrato compósito sem filme de superfície em relação ao módulo de armazenamento G’s + G’sr para os três estratos de substrato compósito com filme de superfície com proteção incorporada contra raios apresentava um valor de 0,85 ou mais; Isto é, o coeficiente de resistência a microfissuras [C] foi 2 0,85.
C = G’s / (G’s + G’sr) à 0,85
Esta seleção pode também ser apresentada da seguinte forma: O módulo de armazenamento para o compósito com filme de superfície medido a 25°C [G^s] é não mais que 118% do módulo de armazenamento para o compósito sem filme de superfície medido a 25°C [G’s], mais tipicamente não mais que 115%, mais tipicamente não mais que 112%, em algumas modalidades não mais que 110%, em algumas modalidades não mais que 108%, em algumas modalidades não mais que 106%, e em algumas modalidades não mais que 104%. Esta seleção pode também ser apresentada da seguinte forma: O módulo de armazenamento para o compósito com filme de superfície medido a -54°C [G’t.54] é não mais que 118% do módulo de armazenamento para o compósito sem filme de superfície medido a -54°C [G’s-54], mais tipicamente não mais que 115%, mais tipicamente não mais que 112%, em algumas modalidades não mais que 110%, em algumas modalidades não mais que 108%, em algumas modalidades não mais que 106%, e em algumas modalidades não mais que 104%.
Diversas modificações e alterações da presente invenção se tornarão evidentes para os versados na técnica, sem se desviar do escopo e princípios desta invenção, e deve-se compreender que a presente invenção não deve ser indevidamente limitada pelas modalidades ilustrativas anteriormente demonstradas neste documento.

Claims (10)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Construção em camadas tendo um módulo de armazenamento G’t25 a 25°C, CARACTERIZADA por compreender:
    a) um compósito polimérico curado tendo um módulo de armazenamento G’S25 a 25 °C; e
    b) um filme de superfície curada ligado ao mesmo; sendo que G^ não é maios que 118% de G’S25- ♦.
  2. 2. Construção em camadas, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que G’t25 é não mais que 110% de G’s25.
  3. 3. Construção em camadas, de acordo corrí a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que G’t25 é não mais que 104% de G’S25-
  4. 4. Construção em camada, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que G’t25 é entre 101% e 118% de G’S25-
  5. 5. Construção em camadas, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 4, tendo um módulo de armazenamento G’t-54 a -54°C, CARACTERIZADA pelo fato de que o compósito polimérico curado tem um módulo de armazenamento G’s-54 a -54°C; e sendo que G’t-54 é não mais que 122% de G’s-54.
  6. 6. Construção em camada, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADA pelo fato de que G’t.54 é entre 101% e 122% de G’s.54.
  7. 7. Construção em camadas, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 4, CARACTERIZADA pelo fato de que o compósito polimérico curado compreende um polímero matriz que é uma composição diferente do filme de superfície curada.
  8. 8. Método para fabricação de uma construção em camadas, CARACTERIZADO pelo fato de compreender as etapas de:
    a) fornecer um compósito polimérico curável que cura para formar um compósito polimérico curado que tem um módulo de armazenamento G’S25 a 25°C;
    b) selecionar um filme de superfície curável;
    c) fornecer o dito filme de superfície curável;
    d) fornecer uma ferramenta tendo um formato que é o inverso do formato desejado da construção em camadas;
    e) colocar o filme de superfície curável e o compósito polimérico curável, nesta ordem, na ferramenta; e
    f) curar o compósito polimérico curável e o filme de superfície curável para produzir uma construção em camadas, sendo que a construção em camadas tem um módulo de armazenamento G’t25 a 25°C;
    sendo que a etapa b) de selecionar um filme de superfície curável compreende selecionar um filme de forma que G’t25 é não maios que 118% de G’s25.
  9. 9. Método, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa b) de selecionar um filme de superfície curável compreende selecionar um filme de forma que G’t25 é entre 101 % e 118% de G’s25-
  10. 10. Método, de acordo com a reivindicação 8 ou 9, CARACTERIZADO pelo fato
    5 de que o compósito polimérico curável compreende um polímero matriz que é uma composição diferente do filme de superfície curada.
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