ES2218812T3

ES2218812T3 - Panel estructural con nucleo de papel kraft entre revestimientos metalicos.

Info

Publication number: ES2218812T3
Application number: ES98913469T
Authority: ES
Inventors: David D'arcy Clifford
Original assignee: Dofasco Inc
Current assignee: ArcelorMittal Dofasco Inc
Priority date: 1997-02-10
Filing date: 1998-02-10
Publication date: 2004-11-16
Anticipated expiration: 2018-02-10
Also published as: WO1998035114A1; ATE264440T1; JP2002512567A; KR20000070959A; DE69823169T2; KR100651701B1; PT960243E; AU743651B2; DK0960243T3; CN1246906A; BR9807570A; CN1202331C; AU6816498A; EP0960243B1; US5985457A; CA2248603A1; CA2248603C; DE69823169D1; EP0960243A1

Abstract

PANEL ESTRUCTURAL (10, 12, 30, 50, 70) QUE COMPRENDE UN COMPUESTO DE METAL Y PAPEL EN EL CUAL EL REVESTIMIENTO EXTERIOR METALICO (22, 32, 40, 52, 60) TIENE UN ESPESOR MINIMO DE 1,0 MM EN EXCESO DE LAS LAMINAS Y UN ESPESOR MAXIMO PREFERIDO DE 0.03 MM, EN TANTO QUE EL NUCLEO DEL PAPEL (20, 36, 56) ESTA COMPRENDIDO ENTRE 0,2 Y 1,3 MM. EL PANEL ES UN SUSTITUTO RIGIDO Y LIVIANO DE METALES MAS GRUESOS Y PUEDE SUSTITUIR CHAPAS METALICAS LIGERAS TALES COMO ALUMINIO CON UN COMPUESTO EN EL CUAL LAS ENVOLTURAS METALICAS COMPRENDEN PLANCHAS DE METALES MAS PESADOS, TALES COMO ACERO. EL NUCLEO DE PAPEL (20, 36, 56) ESTA UNIDO MEDIANTE ADHESIVO A LAS ENVOLTURAS METALICAS Y PUEDE TENER ABERTURAS (62) PARA PRODUCIR VIAS PARA QUE PENETRE EL ADHESIVO (64) ENTRE LAS ENVOLTURAS METALICAS (22, 32, 40, 52, 60) A FIN DE MINIMIZAR EL FALLO PRODUCIDO POR EL PADEO.

Description

Panel estructural con núcleo de papel kraft entre revestimientos metálicos.

Campo técnico

La presente invención se refiere a la laminación de papel kraft entre chapas muy finas de metal y, más en particular, acero para producir una chapa compuesta que posee una mayor rigidez con un coste o un peso adicional reducidos.

Técnica anterior

Las chapas de acero se usan en multitud de aplicaciones en las que se requieren resistencia, durabilidad y sencillez de fabricación a bajo coste. Por ejemplo, se usan chapas de acero en carrocerías de vehículos, electrodomésticos, muebles, construcción y embalaje. Una medida importante del rendimiento de la chapa de acero es su resistencia a la deflexión elástica, también conocida como rigidez.

En aplicaciones en las que se necesite una alta rigidez, el grosor de la chapa de acero debe aumentarse proporcionalmente a los requisitos de rigidez. El grosor del material adicional proporciona mayor resistencia a la deflexión elástica. Sin embargo, el aumento del grosor de la chapa de acero tiene un impacto negativo tanto en el coste como en el peso del producto final.

Así, mientras que el coste del acero es significativamente menor que el coste del aluminio, el aluminio se ha convertido en el material elegido para aplicaciones en las que el peso del producto final es crítico. Se consiguen reducciones de peso aún mayores en materiales de construcción que comprenden paneles compuestos de aluminio que poseen un núcleo de polímero y revestimientos exteriores metálicos hechos de chapa de aluminio. Dichos paneles encuentran aplicación, por ejemplo, en la construcción de carrocerías de remolques de vehículos, como se desvela en los documentos US-4.958.472 y US-4.940.279.

Se ha reconocido que el incremento obtenido en la relación resistencia-peso de dichos paneles compuestos procede de la separación física de los revestimientos exteriores, y que puede no ser necesario el material de relleno o material del núcleo. En el documento WO96/23621, se propone crear paneles huecos en los que se mantenga una separación entre dos chapas de acero mediante cúpulas de tipo hemisférico conformadas en una chapa de acero que se suelda selectivamente a una chapa de acero adyacente.

Por otra parte, el solicitante no conoce ninguna propuesta para mantener la rigidez en paneles compuestos mediante la sustitución de los materiales de núcleo alternativos por núcleos de polímero. El solicitante tampoco conoce ninguna propuesta para crear paneles estructurales laminados en los que los revestimientos exteriores estén hechos de acero. Aquellas solicitudes en las que se conoce metal laminado con papel incluyen, entre otras cosas, tarjetas de cableado de recubrimiento metálico como soporte de los componentes electrónicos, por ejemplo, como en el documento US-4.314.002, en el que se usa papel debido a su contribución a las propiedades dieléctricas y que no ofrece ninguna ventaja estructural. En otros laminados de metal y de papel conocidos, como los materiales de revestimiento desvelados en el documento US-3.055.768, el metal es una hoja muy fina de aluminio que carece de utilidad estructural.

El documento UK-B-1225500 desvela mejoras en la producción, o relativas a ella, de un laminado de resina/hoja metálica que comprende una capa de preimpregnado asegurada entre dos capas de hoja metálica por medio de un recubrimiento de imprimación adhesiva para el metal.

El documento US-A-4652324 desvela un procedimiento para producir chapa laminada mediante impregnación de un papel de base para preparar un preimpregnado y sometiendo el preimpregnado a moldeo de laminación por calor.

Un objeto de esta invención es aumentar la rigidez de la chapa metálica para su uso en aplicaciones estructurales del tipo anteriormente mencionado, sin añadir un coste o un peso excesivos.

Descripción de la invención

De acuerdo con la presente invención, se suministra un panel estructural que comprende un primer y un segundo revestimiento de chapa en el que el acero se selecciona dentro del grupo siguiente: acero laminado en frío, acero galvanizado, acero estañado y acero inoxidable, que tiene un grosor de 0,127 mm (0,005 pulgadas) a 0,305 mm (0,012 pulgadas) y un núcleo de papel unido con adhesivo entre dichos revestimientos, de manera que el núcleo de papel posee un grosor de al menos 0,254 mm (0,01 pulgadas) y el núcleo de papel comprende una pluralidad de hojas de papel unidas adhesivamente entre sí.

El panel estructural de la invención puede contener un primer y un segundo revestimiento de chapa metálica; un núcleo de papel interpuesto entre dichos revestimientos de chapa metálica, teniendo el núcleo de papel una pluralidad de aberturas conformadas en él que se extienden entre dichos primer y segundo revestimientos de chapa metálica; primera y segunda capas de adhesivo que unen dichos revestimientos de chapa metálica a los lados respectivos de dicho núcleo de papel; y puentes adhesivos que comprenden material adhesivo dispuesto en dichas aberturas y unen adhesivamente dichos primer y segundo revestimientos entre sí.

De acuerdo con esta invención, se suministra un panel estructural que comprende revestimientos exteriores de chapa metálica laminada en un núcleo de papel. Los revestimientos metálicos son más gruesos que las hojas metálicas y tienen un grosor mínimo de 0,005 pulgadas (0,127 mm). Preferentemente, los revestimientos metálicos son también más finos que las tarjetas y tienen un grosor máximo de 0,012 pulgadas (0,305 mm). El núcleo de papel "interpuesto" entre los revestimientos metálicos es relativamente grueso y tiene un grosor mínimo de 0,01 pulgadas (0,254 mm) y normalmente no superará las 0,05 pulgadas (1,27 mm).

Preferentemente, los revestimientos metálicos son chapas de acero y el núcleo de papel comprende papel kraft que posee una pluralidad de aberturas para crear trayectorias para puenteo adhesivo de los revestimientos exteriores y para optimizar la resistencia a fallos resultantes del pandeo.

Descripción de los gráficos

Para comprender mejor la invención, se describen seguidamente los modos de realización preferentes con referencia a los gráficos adjuntos, en los que:

La figura 1 es una vista esquemática en sección transversal de una forma de realización de la invención que comprende un núcleo de papel de doble capa.

La figura 2 es una representación gráfica que muestra el grosor relativo de los revestimientos metálicos y los núcleos de papel en la invención (zona sombreada) y en la técnica anterior (zonas sin sombrear).

La figura 3 es una representación gráfica de la rigidez en una viga.

La figura 4 (dibujada sobre la figura 3) es una representación esquemática de la aplicación de una carga a una viga para medir la rigidez.

La figura 5 es una vista en perspectiva fragmentaria ampliada de un laminado según la invención (pero que muestra la capa de papel múltiple como una capa única, por comodidad) sin puentes adhesivos.

La figura 6 es una vista en perspectiva ampliada de un laminado según la invención (pero que muestra la capa de papel múltiple como una capa única, por comodidad) con puentes adhesivos.

La figura 7a es una representación esquemática de la aplicación de una carga a una viga para mostrar el eje neutro de flexión.

La figura 7b es una vista en planta de una banda de papel que muestra la dirección de máquina del papel paralelo al eje neutro de flexión.

La figura 8a es una representación esquemática de la aplicación de una carga a una viga para mostrar el eje neutro de flexión.

La figura 8b es una vista esquemática de una banda de papel que muestra la dirección de máquina del papel perpendicular al eje neutro de flexión.

La figura 9 es una representación esquemática de un laminado (sin puentes adhesivos) según la invención (pero que muestra la capa de papel múltiple como una capa única, por comodidad) con ilustración de un fallo por pandeo del revestimiento.

La figura 10 es una representación esquemática de un laminado que tiene puentes adhesivos sometidos a una carga de compresión y resistente a un fallo de pandeo del revestimiento.

La figura 11 es una representación gráfica que muestra la mejora de resistencia de un laminado hecho según la invención con puentes adhesivos.

Las figuras 12 a 16 son representaciones gráficas que muestran la rigidez de diversos laminados hechos según la invención y de una chapa de aluminio, y

La figura 17 (gráfico adyacente a la figura 1) es una vista esquemática en sección transversal que muestra una aplicación de un laminado según la invención (pero que muestra la capa de papel múltiple como una capa única, por comodidad) como revestimiento exterior en asociación con un núcleo de polímero.

Mejor forma de realización de la invención

La deflexión elástica de una viga, una plancha o una chapa es inversamente proporcional al momento de inercia creado por la viga, la plancha o la chapa en torno a su eje de deflexión. La rigidez elástica de una chapa de acero puede, por lo tanto, aumentarse de manera sustancial incrementando el momento de inercia de una chapa de acero alrededor de su eje de deflexión. Convencionalmente, esto se hace aumentando el grosor de la chapa de acero.

Una alternativa económica al aumento del grosor de la chapa de acero que se propone en esta invención es laminar hojas sucesivas de papel kraft de bajo coste entre las chapas expuestas de acero, con lo que se aumenta el momento de inercia de la chapa compuesta y se incrementa sustancialmente la rigidez de la chapa compuesta.

Las capas de papel pueden unirse entre sí y a las chapas de acero con un adhesivo que tenga la fuerza de adhesión necesaria y características mecánicas que eviten el deslizamiento entre las capas adyacentes, o la deslaminación de las capas laminadas con respecto a las chapas metálicas.

En su forma de realización más sencilla, representada en la figura 1, un panel estructural 10 según la invención comprende una doble banda de papel kraft 20 interpuesto entre dos chapas de acero 22, con el papel unido a las chapas metálicas en los lados respectivos del mismo con una capa de adhesivo 24.

Se entenderá que la unión de las bandas de papel en un núcleo de papel y la unión del núcleo de papel a los revestimientos de acero pueden suministrarse mediante cualquier material adhesivo adecuado y que, por ejemplo, puede incluir impregnación con resina del núcleo de papel.

Como se ha indicado anteriormente, la invención proporciona un medio de mantener la rigidez a la vez que se reduce el peso y, por lo tanto, permite que puedan usarse metales más finos sin disminuir el rendimiento. Por medio del ejemplo, la descripción que sigue está centrada en laminados de chapa de acero y papel para mostrar que estos compuestos son alternativas viables a las chapas de aluminio en solitario.

Para que la invención sea adecuada como un panel estructural, y proporcione beneficios económicos razonables, el solicitante ha determinado que los revestimientos de acero exteriores tendrán un grosor comprendido entre 0,005 pulgadas (0,127 mm) y 0,012 pulgadas (0,305 mm), mientras que el núcleo de papel tendrá un grosor mínimo de 0,01 pulgadas (0,254 mm) y un grosor máximo preferido de 0,05 pulgadas (1,27 mm). En la zona sombreada de la figura 2 se ilustra gráficamente una gama de producto cubierta por la invención, mientras que en las zonas recuadradas no sombreadas se muestran laminados de metal y papel según la técnica anterior conocidos por el solicitante (distintos de los documentos UK-B-1225500 y US-A-4652324, que están fuera de la escala representada). Se entenderá que el grosor mínimo de 0,005 pulgadas (0,127 mm) es representativo del menor rango de grosores prácticos para los que puede laminarse la chapa de acero sin los costes adicionales de tratamiento para la producción de la denominada "hoja".

Debe advertirse que todos los grosores se han determinado en unidades empíricas, con los valores equivalentes en la escala métrica suministrados entre paréntesis únicamente por comodidad.

La tabla 1 que se ofrece a continuación muestra el grosor de una chapa de aluminio requerida para proporcionar una rigidez equivalente para diversas combinaciones de chapas de acero y papel que tienen grosores que representan los extremos de la zona sombreada de la figura 2.

TABLA 1

1

Se observará que el grosor acumulado de un panel compuesto de la clase mostrada en la figura 1 es siempre menor que el grosor de la chapa de aluminio que tiene rigidez equivalente. Bastarán unos sencillos cálculos para convencer a los expertos en la materia de que pueden alcanzarse enormes ahorros de coste sin la penalización de peso atribuida normalmente a las chapas de acero de rigidez equivalente.

Los expertos en la materia entenderán que el término "rigidez" es una medida de la relación entre la carga y la deflexión o resistencia a una flexión elástica o recuperable. Por razones de claridad, en la figura 3 se muestra una representación gráfica de la rigidez adyacente a una ilustración esquemática representada en la figura 4 que muestra la aplicación de una carga C a una viga de muestra V para producir una deflexión D.

En la tabla 2 se muestran experimentos seleccionados realizados por el solicitante y que comprenden los ejemplos 1 a 5, correspondiendo cada uno de ellos a una estructura laminada para la que se ha medido la rigidez y se ha comparado con una chapa de aluminio que tiene un grosor de 0,062 pulgadas (1,6 mm). Los resultados se muestran gráficamente en las figuras 12 a 16.

El solicitante ha llevado a cabo numerosos experimentos para mostrar la utilidad del panel estructural compuesto de acuerdo con la invención como un sustituto de la chapa de aluminio. Los experimentos se realizaron en paneles laminados en los que los revestimientos metálicos exteriores son chapas de acero no revestido con bajo contenido en carbono de un grosor nominal de 0,0074 pulgadas (0,2 mm) laminadas en un núcleo que comprende cartón kraft. En las figuras 6 y 7 se muestran estructuras ejemplificadoras.

TABLA 2

2

En la figura 5, el laminado se indica generalmente con el número de referencia 30 y comprende las siguientes capas en secuencia: un primer revestimiento exterior de chapa de acero 32, una primera capa adhesiva 34, un núcleo de cartón kraft 36, una segunda capa adhesiva 38 y un segundo revestimiento exterior de chapa de acero 40. En el ejemplo 2 se usó un laminado de esta clase.

El laminado usado en los restantes ejemplos 1, 3-5 se indica en general con el número de referencia 50 en la figura 6 y comprende, de modo similar, las capas siguientes en secuencia: un primer revestimiento exterior de chapa metálica 52, una primera capa adhesiva 54, un núcleo de cartón kraft 56, una segunda capa adhesiva 58, y un segundo revestimiento exterior de chapa metálica 60. Sin embargo, en esta estructura, el núcleo de cartón kraft 56 está perforado y tiene una matriz de aberturas circulares 62 horadadas en el papel, con cada abertura 62 de un diámetro nominal de 1 mm (que podría oscilar entre 0,5 mm y 2,0 mm) y separada de las aberturas adyacentes en intervalos de aproximadamente 6,4 mm en direcciones longitudinal y transversal del núcleo del cartón kraft 56.

Las aberturas 62 definen trayectorias para el puenteo adhesivo de los revestimientos metálicos exteriores 52, 60 entre sí, de manera que los puentes adhesivos 64 comprenden columnas de material adhesivo orientadas transversalmente con respecto a las capas de adhesivo 34, 38 y conectadas integralmente de manera que dichas capaz de adhesivo estén suministradas para mantener la integridad de la estructura laminada.

El núcleo de cartón 56 usado en los ejemplos 1-5 está diseñado como un papel kraft, lo que significa que la pulpa para la formación del papel se produce utilizando un procedimiento de sulfato, típicamente hidróxido de sodio cáustico y sulfuro de sodio para deslignificar virutas de madera a alta presión y temperatura en un digestor que produce una pulpa con un contenido en celulosa más alto y una mejor unión que el papel hecho con pulpa mecánica. El cartón kraft se obtuvo de Westvaco Corporation y se vende en asociación con las marcas Kraftpak y Durasorb. Kraftpak y Durasorb son marcas registradas de Westvaco Corporation.

Se observará que las fibras de celulosa se alinearán en una "dirección de máquina" durante la producción del papel y que la orientación del papel en los laminados es un factor que influirá en la rigidez y en la resistencia del laminado. Los ejemplos demuestran que los laminados ofrecen mejor rendimiento cuando la dirección de máquina del papel kraft está alineada en paralelo al eje neutro de flexión (figura 7) que cuando la dirección de máquina del papel kraft es perpendicular al eje neutro de flexión (figura 8).

Otro factor importante que influye en el rendimiento de los laminados es la presencia de los puentes adhesivos 64. Sin el puenteo, la integridad del laminado es propensa a fallos, en particular, por un defecto conocido como "pandeo", mostrado esquemáticamente en la figura 10, y que resulta de una tensión de compresión en el revestimiento superior durante la flexión del laminado. Aquí, las fibras del núcleo de papel se separan y se produce una deslaminación local del papel. Este defecto contrasta con el modo de fallo conocido como "rizado", en el que existe un pandeo localizado solamente del revestimiento exterior y la longitud de onda del pandeo es del mismo orden de magnitud que el núcleo.

Espaciando selectivamente las aberturas 62 en el núcleo de papel 56 de manera que los puentes adhesivos 64 estén separados entre sí dentro de un intervalo estimado de longitudes de onda de pandeo, como se muestra esquemáticamente en la figura 10, es posible optimizar la resistencia al fallo del laminado que resulta del pandeo. En la figura 11, se muestra gráficamente el incremento del rendimiento obtenido en un laminado que tiene puentes adhesivos 64 de la clase mostrada en la figura 6 cuando se compara con un laminado sin dichos puentes adhesivos (ejemplo 2) de la clase mostrada de la figura 5. Sin embargo, como la teoría del pandeo elástico enseña que la longitud de onda de un pandeo depende de la geometría de la muestra, el espaciado máximo requerido de las aberturas 62 se calculará caso por caso, de acuerdo con la aplicación pretendida del laminado.

Los ejemplos muestran también que el núcleo de cartón kraft puede impregnarse óptimamente con resina para mejorar el rendimiento (ejemplo 3), pero que el rendimiento adecuado puede alcanzarse sin impregnación con resina (ejemplo 1) y sin el coste asociado a dicha impregnación. Como se indicó anteriormente, la resina seleccionada puede funcionar también como un adhesivo.

Es de esperar también que la naturaleza del adhesivo sea un factor que influya en el rendimiento, según se muestra en los ejemplos 4 y 5, en los que se usó un adhesivo con base de agua, mientras que en los ejemplos restantes 1 a 3 se usó un adhesivo con base de uretano.

Aplicabilidad industrial

Se observará que un panel estructural hecho con un laminado según la invención se dimensionará de acuerdo con la aplicación prevista y tendrá refuerzos donde se requiera para facilitar el montaje de los paneles en una estructura subyacente como pueda ser un marco. Se cree que un panel estructural de acuerdo con la invención encontrará aplicación siempre que se use chapa metálica y que podría sustituir a dichas chapas si se usara con ambas superficies esencialmente expuestas o si formaran parte de un panel compuesto 70 unidas a un núcleo de polímero suplementario 72, de manera que el panel compuesto de la invención defina los revestimientos exteriores 74. Dicha estructura se muestra esquemáticamente en la figura 17.

Es posible realizar diversas variaciones a los modos de realización descritos anteriormente dentro del marco de las reivindicaciones anexas. Los revestimientos de acero comprenden chapa de acero seleccionada entre lo siguiente: acero laminado en frío, acero galvanizado, acero estañado y acero inoxidable, y puede incluir piezas de fundición con aleación de zinc y aluminio y recubrimientos pintados en dichas chapas, sin limitación.

Además, se entenderá que algunas chapas de acero pueden ser más deseables que otras como revestimientos con vistas a su empleo en paneles estructurales según la invención. Por ejemplo, se contempla que una chapa galvanizada en una sola cara puede preferirse en algunas aplicaciones, mientras que para mejorar la adhesión al núcleo de papel es deseable una superficie exterior galvanizada para obtener mejor resistencia a los agentes atmosféricos y una superficie interior de acero lisa, sin galvanización o recubrimiento.

El solicitante prevé igualmente que los revestimientos exteriores de acero pueden comprender convenientemente chapa de acero galvanizado que posteriormente se lamina en frío para obtener un grosor mínimo aceptable para la aplicación que se pretende sin ningún recocimiento posterior.

Claims

1. Un panel estructural (10; 12; 30; 50; 70) que comprende un primer y un segundo revestimiento de chapa de acero, seleccionados entre el grupo constituido por: acero laminado en frío, acero galvanizado, acero estañado y acero inoxidable (22; 32; 40; 52; 60), que tienen un grosor de 0,127 mm (0,005 pulgadas) a 0,305 mm (0,012 pulgadas) y un núcleo de papel (20; 36; 56) unido con adhesivo entre dichos revestimientos, teniendo el núcleo de papel un grosor de al menos 0,254 mm (0,01 pulgadas), en el que el núcleo de papel comprende una pluralidad de hojas de papel unidas adhesivamente entre sí.

2. Un panel estructural según la reivindicación 1 que comprende: un primer y un segundo revestimiento de chapa de acero; un núcleo de papel interpuesto entre dichos revestimientos de chapa de acero, teniendo el núcleo de papel una pluralidad de aberturas conformadas en él que se extienden entre dichos primer y segundo revestimientos de chapa de acero; una primera y una segunda capa de adhesivo que unen dichos revestimientos de chapa de acero a los lados respectivos de dicho núcleo de papel, y puentes adhesivos que comprenden material adhesivo dispuesto en dichas aberturas y unen adhesivamente dichos primer y segundo revestimientos entre sí.

3. Un panel estructural según la reivindicación 2, en el que el primer y el segundo revestimiento de chapa de acero tienen un grosor de al menos 0,127 mm (0,005 pulgadas), y el núcleo de papel posee un grosor de al menos 0,381 mm (0,015 pulgadas).

4. Un panel estructural según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el núcleo de papel comprende papel kraft.

5. Un panel estructural según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el núcleo de papel tiene una pluralidad de aberturas conformadas en él que se extienden entre dichos primer y segundo revestimientos de chapa de acero y que definen trayectorias para puentear adhesivamente dichos primer y segundo revestimientos de chapa de acero.

6. Un panel estructural según la reivindicación 5 que comprende material adhesivo dispuesto en dichas aberturas y que une adhesivamente dichos primer y segundo revestimiento de chapa de acero entre sí.

7. Un panel estructural según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 que comprende: una primera y una segunda capa de adhesivo que unen dichos revestimientos de chapa de acero a los lados respectivos de dicho núcleo de papel.

8. Un panel estructural según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que el núcleo de papel tiene un grosor de al menos 0,381 mm (0,015 pulgadas).

9. Un panel estructural según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 en el que el núcleo de papel está impregnado con resina.

10. Un panel estructural según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que el núcleo de papel tiene un grosor entre 0,254 mm (0,01 pulgadas) y 1,27 mm (0,05 pulgadas).