BRPI1003150A2 - processo para fabricação de estrutura compósita utilizando enrolamento filamentar com resinas termoplásticas - Google Patents

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Abstract

PROCESSO PARA FABRICAçãO DE ESTRUTURA COMPóSITA UTILIZANDO ENROLAMENTO FILAMENTAR COM RESINAS TERMOPLáSTICAS. A presente invenção descreve o processo de revestimento de fibras de vidro com resinas termoplásticas e o posterior enrolamento em matrizes tubulares para formar perfis tubulares de qualquer geometria (redondo, quadrado, retangular, triangular) com resinas termoplásticas, evitando-se o uso de resinas termofixas.

Description

PROCESSO PARA FABRICAÇÃO DE ESTRUTURA COMPÓSITA UTILIZANDO ENROLAMENTO FILAMENTAR COM RESINAS TERMOPLÁSTICAS
CAMPO DE APLICAÇÃO
A presente invenção descreve um processo de revestimento de fibras de vidro com resinas termoplásticas e o posterior enrolamento em matrizes tubulares para formar uma estrutura compôsita.
DESCRIÇÃO DO ESTADO DA TÉCNICA
Estruturas compôsitas formadas por filamentos contínuos de fibra de vidro empregam equipamentos para impregnação e posterior enrolamento em matrizes em sua fabricação. As resinas utilizadas podem ser resinas termoplásticas ou termofixas.
Nos perfis produzidos em resina termofixa, os filamentos contínuos de fibra de vidro são impregnados em um cabeçote que visa a promover a adesão da resina nos filamentos, apôs isso, retira-se o excesso da resina e enrola-se em um perfil. Posteriormente, o perfil é colocado em uma estufa, que promove o movimento rotacional para não causar o escorrimento da resina devido à alta fluidez da mesma e ao mesmo tempo promover a cura da resina pelo aquecimento.
Já nos perfis produzidos em resina termoplástica, o processo inicia-se com o pré-tensionamento das fibras com a passagem das fibras transversalmente por tubos alternadamente, as mesmas passam por uma câmara de aquecimento e após esta etapa passam por um recipiente contendo polímeros no formato em pó. O aquecimento das fibras promove a adesão de microgrãos de polímero ao longo da mesma. Na etapa seguinte, as fibras com os microgrãos de polímero são aquecidas promovendo o derretimento do polímero pontualmente ao longo das mesmas. Os cabos de fibra de vidro são resfriados em enrolados em bobinas para posterior processamento, formando os perfis tubulares.
A patente US 5.614.13 9, publicada em 25 de março de 1997, descreve um processo com resina termoplástica, onde as fibras passam por este processo e imediatamente são encobertas por uma outra etapa de processo em que uma resina termoplástica compatível com a primeira reveste o cabo. O mesmo é resfriado e embobinado para posterior processamento. O perfil produzido por este processo é formado a quente e devido ao fato da viscosidade das resinas termoplásticas ser maior que a das resinas termofixas não há o problema de escorrimento nos perfis. O mesmo embobinado é resfriado e retirado do mandril.
Os processos atuais que utilizam resina termofixa possuem algumas desvantagens, como por exemplo, a resina termofixa empregada possui baixa viscosidade. Tal característica é utilizada para promover a impregnação dos cabos de fibra de vidro. Porém, devido à baixa viscosidade, no processo de enrolamento podem ocorrer escorrimentos, o que pode gerar uma baixa qualidade superficial.
Além disso, é normal nestes processos uma etapa posterior de aquecimento com o movimento rotacional do mandril para promover um bom acabamento do perfil.
São empregados altos porcentuais de fibra de vidro para promover uma boa resistência mecânica e também evitar o escorrimento de resina. Porém, devido ao alto percentual de fibra de vidro fica difícil promover um bom acabamento superficial, a cobertura da resina restante não permite um acabamento liso.
Adicionalmente, no processo de enrolamento filamentar é usual utilizarem-se ângulos de embobinamento para promover uma boa resistência mecânica do produto, conforme figura 1. Para o perfil ter o mesmo ângulo de embobinamento em todo o seu comprimento faz-se necessário o embobinamento de sobras nas pontas, que são posteriormente cortadas, conforme figuras 2 e 3. Estas pontas, por serem feitas de resina termofixa com fibra de vidro, não são recicladas, ocasionando sobra industrial. Todas as sobras de processo, tais como: furações, recortes, cortes em ângulo e peças defeituosas originam sobras industriais de difícil reciclagem sem aproveitamento posterior.
Em relação ao uso de resinas termoplásticas, as limitações dos processos empregados atualmente em enrolamento filamentar de fibras de vidro são:
Os processos atuais visam a promover a adesão de grãos polímero em pó que posteriormente são derretidos e resfriados. O cabo resultante é então embobinado para posterior enrolamento no produto final. Tal situação leva a exigir duas etapas de processo, demandando a utilização de uma quantidade de energia maior do que a realmente necessária.
Além disso, devido à deposição de pó de resina termoplástica no cabo de fibra de vidro, são necessárias condições atmosféricas controladas tais como, temperatura e umidade.
A granulometria do polímero deve ser bem controlada, caso contrário podem ocorrer grandes variações no percentual de resina e fibra de vidro no produto final, ocasionando variações na qualidade do mesmo.
Processos como o descrito nas patentes US 5.529.652, publicada em 25 de junho de 1996 e US 5.176.775, publicada em 05 de janeiro de 1993, são empregados para a impregnação dos cabos de fibra de vidro, que são agrupados para uma única saída e depois cortados ou embobinados para posterior enrolamento filamentar, acrescentando uma etapa no processo. Tal descrição tem como característica a disposição na vertical do cabeçote de impregnação, dificultando a possível utilização para o enrolamento filamentar. Caso haja algum problema, teriam que esvaziar totalmente o cabeçote de resina para nova emenda de fio. 0 que não ocorre no processo da presente invenção.
Outra situação que apresenta desvantagens é a descrita na patente PI 9714801-6, publicada em 25 de julho de 2000 e na patente US 5.614.13 9, em que os cabos são impregnados e após esta etapa são complementados com outra etapa de extrusão para a complementação dos aditivos no processo. Tal processo destina-se a homogeneizar a quantidade de aditivos e fibra de vidro no composto final, evitando-se a mistura para aplicações finais dos compostos com outras resinas. Tal aplicação destina-se a compostos granulados e não enrolados em uma matriz tubular.
No processo proposto no presente pedido, os aditivos, a resina e a fibra de vidro são homogeneizados e, por não terem novos acréscimos de qualquer componente no enrolamento final, os percentuais dos ingredientes do composto são homogêneos e uniformes.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
O principal objetivo pretendido do processo da presente invenção é formar perfis tubulares de qualquer geometria (redondo, quadrado, retangular, triangular) com resinas termoplásticas, evitando-se o uso de resinas termofixas.
DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
A figura 1 descreve a seqüência de embobinamento dos filamentos revestidos em uma máquina de enrolamento filamentar.
A figura 2 mostra o mandril já com os cabos embobinados em ambos os sentidos.
A figura 3 mostra os excessos das pontas que são cortados.
A figura 4 mostra um mandril de enrolamento filamentar.
A figura 5 mostra a extrusora monorosca convencional para termoplásticos.
A figura 6 mostra um ferramental de impregnação aberto.
A figura 7 mostra um ferramental de impregnação fechado.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
A seqüência de embobinamento dos filamentos revestidos em uma máquina de enrolamento filamentar exibida na figura 1 mostra os ângulos de embobinamento causados pela deslocação da máquina de enrolamento ao mesmo tempo em que enrola os cabos revestidos pelo cabeçote anexado a extrusora.
O mandril já com os cabos embobinados em ambos os sentidos da figura 2 mostra a trama que é formada pelos movimentos do maquinário de embobinamento com os acréscimos nas pontas.
Os excessos das pontas que são cortados mostrados na figura 3, no caso dos tubos em termofixos são descartados e no caso dos termoplásticos são moídos e reaproveitados.
O mandril de enrolamento filamentar da figura 4 pode ter diversos formatos, tais como: triangular, quadrado, retangular, redondo, oval, pentagonal, hexagonal, etc.
A figura 5 mostra a extrusora monorosca convencional para termoplásticos, contendo: rack com as bobinas de roving de fibra de vidro (1), a câmara de pré tensionamento e pré-aquecimento dos cabos de fibra de vidro (2), a câmara de impregnação dos cabos de fibra de vidro (3), as barras transversais que tem a função de promover a impregnação dos cabos de fibra de vidro (4), as saídas da câmara de impregnação com orifícios calibrados no diâmetro (5) e ainda a máquina de enrolamento filamentar com a propriedade de deslocamento (7) , o mandril de enrolamento filamentar, que pode ter diversos formatos (6) e as resistências de infravermelho (8), o cilindro liso de acabamento (9).
A estrutura para produzir perfis tubulares em composto de fibra de vidro com resina termoplástica pelo processo de enrolamento filamentar segue como descrito:
As fibras de vidro armazenadas no rack (1) são dispostas em paralelo e guiadas, passando alternadamente em barras dispostas transversalmente, o que provoca o pré- tensionamento nas mesmas. Ao mesmo tempo são aquecidas por resistências de infravermelho que tem como propósito melhorar a impregnação das mesmas evitando o choque térmico. A câmara que provoca o pré-tensionamento e pré- aquecimento (2) também está disposta na figura. Os cabos de fibra de vidro são mantidos em paralelo e adentram a câmara de impregnação (3) , onde barras transversais (4) mantêm as fibras esticadas recebendo transversalmente a resina termoplástica em estado fundido.
As fibras recebem a resina termoplástica no estado fundido e molham-se, arrastando a resina para a parte final da câmara de impregnação enchendo-a totalmente. A passagem alternada pelas barras transversais (4) promove a adesão e impregnação dos cabos de fibra de vidro.
Os cabos revestidos e com a proporção de fibra de vidro e resina estabilizada devido aos furos Calibrados (5) dispostos em paralelo no ferramental de impregnação, saem da mesma e na disposição paralela são embobinados em ferramental de enrolamento (6).
Após o contato dos cabos com o ferramental de enrolamento (6) os mesmos são alisados com o cilindro liso de acabamento (9), deixando a superfície lisa.
O enrolamento dos cabos dispostos em paralelo são alternadamente enrolados em ângulo, provocado pelo movimento alternado transversal do maquinário de enrolamento (7).
O ferramental de enrolamento (6) é mantido aquecido pelas resistências de infravermelho (8) , o que permite manter a resina termoplástica no estado fundido e assim permitir a soldagem dos cabos pelo efeito das diversas passagens alternadas no ferramental (6).
A figura 6 mostra um ferramental de impregnação aberto.
Diferentemente do processo convencional com resinas termofixas, onde o cabeçote de impregnação movimenta e o maquinário de embobinamento é fixo. No processo de enrolamento filamentar com resina termoplástica o ferramental da figura 7 é fixo e o maquinário de embobinamento (7) é que translada no sentido transversal ao embobinamento.
Todo o processo é controlado por um painel eletrônico, onde a velocidade de embobinamento e a velocidade de translação são controladas.
A relação entre a velocidade de embobinamento e velocidade de translação dá o ângulo de embobinamento, não havendo quaisquer elementos entre a saída do ferramental de impregnação (5) e o ferramental de enrolamento (6).
Os acréscimos no embobinamento descrito nas figuras 2 e 3 podem ser aproveitados como compostos termoplásticos para posterior uso, por exemplo, em injeção de peças, bem como qualquer retalho, sobra ou mesmo refugos podem ser reutilizados. Tal característica diferencia sobremaneira da atual, pois evita a contaminação do meio ambiente, já que os compostos termofixos atualmente são despejados em aterros e levam aproximadamente 100 anos para sua decomposição.
Como as resinas termoplásticas possuem maior viscosidade do que as resinas termofixas, pode-se conseguir características de acabamento superficial melhor, evitando- se posteriores fases de acabamento ou pintura, tudo isto devido à dificuldade de escorrimento da resina.
Além disso, devido ao uso de uma extrusora no processo, conforme figura 5, não se necessita de controle de temperatura e umidade do ar ou da granulometria dos polímeros empregados, assim, o emprego das resinas termoplásticas pode ser era grãos, flocos, pó ou peças moídas.
O processo da presente invenção também possui a vantagem de não empregar uso de solventes como nos processos que utilizam resinas termofixas, não contaminando o meio ambiente.
A disposição na horizontal do ferramental de impregnação possibilita a intervenção em qualquer etapa do processo o reparo dos cabos, caso sofram rompimento devido à sujeira, nós ou qualquer outra situação.
Diferentemente dos processos descritos nas patentes US 5.176.775 e US 5.529.652, os cabos podem sem emendados ou reparados com o cabeçote aberto, conforme figura 6.
Ainda em relação à patente US 5.529.652 em que as barras transversais por onde passam as fibras são fixas. Na presente invenção as barras transversais são alternadamente fixadas na tampa e na base, de forma que, apenas quando o ferramental está fechado o desvio é provocado, conforme figura 7 e quando o mesmo é aberto, a fibra fica totalmente exposta para possível emenda conforme figura 6, facilitando o reparo no processo.
É importante observar que, tanto no processo com resinas termofixas quanto com resinas termoplásticas, o desvio provocado na passagem das fibras na resina tem como objetivo a impregnação das mesmas. Temos como exemplo a descrita nas patentes US 5.529.652 e US 4.883.625.
O processo empregando a resina termoplástica tem a vantagem do controle da fluidez dos polímeros pelo controle da temperatura de processamento, que pode variar de 240 a 300° C. Tal controle permite ajustar a tensão nos cabos de fibra de vidro, devido à passagem dos mesmos na resina, uniformizando a tensão e o acabamento dos cabos impregnados no mandril de enrolamento.
A variabilidade nas propriedades da resina termoplástica é garantida por aditivos antioxidantes para proteger a resina às altas temperaturas de processamento. Os percentuais de aditivos ou pigmentos são garantidos no processo devido à introdução inicial com a resina na extrusora na fase de extrusão.
A variabilidade do percentual de fibra de vidro é decorrente de duas condições:
Controle da temperatura de processamento da resina, que provoca a estabilidade de propriedades e principalmente da viscosidade da mesma, influenciando a tensão e a impregnação dos cabos de fibra de vidro na resina.
A relação de porcentual de fibra de vidro na resina é diretamente influenciada pela relação de espessura dos cabos de fibra de vidro e o diâmetro de saída do mesmo no ferramental de impregnação, sofrendo variação porcentual de aproximadamente mais ou menos 2% em peso, não influenciando na qualidade final do produto embobinado.
As resinas termoplásticas objetivo deste processo basicamente são: poliolefinas, poliamida 6, poliamida 6.6, poliuretano termoplástico, polietileno tereftalato e policarbonato, podendo ser usadas tanto resinas virgens ou recicladas em quaisquer proporções, tomando-se o devido cuidado apenas com a fluidez da resina final usada, que no caso tem necessariamente ter baixa viscosidade.

Claims (15)

1. Extrusora monorosca caracterizada pelo fato de compreender um rack com as bobinas de roving de fibra de vidro (1), câmara de pré tensionamento e pré-aquecimento dos cabos de fibra de vidro (2), câmara de impregnação dos cabos de fibra de vidro (3), barras transversais (4), saídas da câmara de impregnação com orifícios calibrados no diâmetro (5), máquina de enrolamento filamentar com a propriedade de deslocamento (7), mandril de enrolamento filamentar (6), resistências de infravermelho (8) e um cilindro liso de acabamento (9).
2. Processo para fabricação de estrutura compósita utilizando enrolamento filamentar com resinas termoplásticas, caracterizado pelo fato de cumprir as etapas de: armazenamento das fibras de vidro no rack (1) dispostas em paralelo e guiadas, passando alternadamente em barras dispostas transversalmente; aquecimento das fibras de vidro por resistências de infravermelho; paralelismo dos cabos de fibra de vidro que adentram a câmara de impregnação (3) , onde barras transversais (4) mantêm as fibras esticadas recebendo transversalmente a resina termoplástica em estado fundido; aplicação de resina termoplástica no estado fundido nas fibras de vidro que se molham, arrastando a resina para a parte final da câmara de impregnação enchendo-a totalmente; passagem alternada pelas barras transversais (4); embobinamento dos cabos revestidos e com a proporção de fibra de vidro e resina estabilizada devido aos furos calibrados (5) dispostos em paralelo no ferramental de impregnação que saem da mesma e na disposição paralela; alisamento dos cabos com o ferramental de enrolamento (6) com o cilindro liso de acabamento (9); enrolamento dos cabos dispostos em paralelo alternadamente enrolados em ângulo, provocado pelo movimento alternado transversal do maquinário de enrolamento (7) ; e manutenção do aquecimento do ferramental de enrolamento (6) pelas resistências de infravermelho (8).
3. Processo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o ferramental é fixo e o maquinário de embobinamento (7) é que translada no sentido transversal ao embobinamento.
4. Processo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de ser controlado por um painel eletrônico, onde a velocidade de embobinamento e a velocidade de translação são controladas.
5. Processo, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a relação entre a velocidade de embobinamento e velocidade de translação apresenta um ângulo de embobinamento, não havendo quaisquer elementos entre a saída do ferramental de impregnação (5) e o ferramental de enrolamento (6).
6. Processo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o enrolamento de cabos revestidos com resina termoplástica em mandril pode ser realizado em formatos tubulares em geometrias redonda, quadrada, retangular ou oval.
7. Processo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato da geometria tubular ser cilíndrica ou cônica.
8. Processo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo da resina termoplástica ser selecionada de um grupo constituído em: polipropileno (homopolímero ou copolímero), polietileno tereftalato, poliuretano termoplástico, polietileno de alta densidade, poliamida 6, poliamida 6.6 ou policarbonato.
9. Processo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que os percentuais de fibra de vidro variam de 25% a 80% em peso.
10. Processo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o emprego das resinas termoplásticas pode ser em grãos, flocos, pó ou peças moídas.
11. Processo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que as barras transversais são alternadamente fixadas na tampa e na base.
12. Processo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de empregar a resina termoplástica para controle da fluidez dos polímeros pelo controle da temperatura de processamento.
13. Processo, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a temperatura de processamento pode variar de 240 a 300°C.
14. Processo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a relação de porcentual de fibra de vidro na resina é diretamente influenciada pela relação de espessura dos cabos de fibra de vidro e o diâmetro de saída do mesmo no ferramental de impregnação, sofrendo variação porcentual de aproximadamente 2% em peso.
15. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 ou -14, caracterizado pelo fato de utilizar a extrusora monorosca conforme definida na reivindicação 1.
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